JP2023544088A - Electrostatic micropump and process of manufacturing electrostatic micropump - Google Patents

Electrostatic micropump and process of manufacturing electrostatic micropump Download PDF

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ライストナー,ヘンリー
ヴァッケルレ,マルティン
リヒター,マルティン
ヴィーラント,ロベルト
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フラウンホーファー-ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps

Abstract

本発明による一実施形態は、ダイヤフラムと第1の電極構造体とを含むダイヤフラム装置を備える静電マイクロポンプである。静電マイクロポンプは、入口逆止弁及び出口逆止弁を含むバルブ装置をさらに備え、ダイヤフラム装置及びバルブ装置は、少なくとも部分的にポンプチャンバを囲む。静電マイクロポンプは、第1の電極構造体と静電駆動部を形成するように配置された第2の電極構造体をさらに備える。静電駆動部は、ダイヤフラムを撓ませるように構成される。静電マイクロポンプは、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間に配置された少なくとも1つのスティクション防止バンプをさらに備え、マイクロポンプの非動作状態では、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の間隔は、ポンプチャンバの周辺領域からポンプチャンバの中央領域に向かって変動し、周辺領域は中央領域を取り囲む。【選択図】図2One embodiment according to the invention is an electrostatic micropump comprising a diaphragm device including a diaphragm and a first electrode structure. The electrostatic micropump further includes a valve device including an inlet check valve and an outlet check valve, the diaphragm device and the valve device at least partially surrounding the pump chamber. The electrostatic micropump further includes a second electrode structure arranged to form an electrostatic drive with the first electrode structure. The electrostatic actuator is configured to deflect the diaphragm. The electrostatic micropump further comprises at least one anti-stiction bump disposed between the first electrode structure and the second electrode structure, wherein in the non-operating state of the micropump, the first electrode structure The spacing between the body and the second electrode structure varies from a peripheral region of the pump chamber towards a central region of the pump chamber, the peripheral region surrounding the central region. [Selection diagram] Figure 2

Description

本発明による実施形態は、マイクロメカニカルアクチュエータに関する。本発明によるさらなる実施形態は、マイクロメカニカルポンプに関する。本発明によるさらなる実施形態は、静電マイクロメカニカルポンプに関する。 Embodiments according to the invention relate to micromechanical actuators. Further embodiments according to the invention relate to micromechanical pumps. Further embodiments according to the invention relate to electrostatic micromechanical pumps.

垂直静電アクチュエータは、特徴的な電圧以上の静電力が電極間隔及び機械的復元力の静水圧を上回るため、動作中に不安定性を示す。電極の非動作距離が調整される場合、この非線形性はアクチュエータの動作に利用され、動作電圧を低下させ、使用エネルギーを少なくする。さらに、静電アクチュエータの動作は、電気的短絡さらには電気的破壊を防止するために、電界における電極及び/又は側壁の不動態化又は絶縁を常に必要とする。
静電力は短距離であるため、静電駆動マイクロポンプのストロークは比較的小さい。撓ませる力は、電極間距離に二次的に比例する。例えば、既知のマイクロポンプのストロークはわずか5μmになり得るが、この結果、行程容積もわずか約40nlとなる。デッドボリュームが大きいと圧縮率が非常に小さくなる。既知のマイクロポンプは気泡耐性がなく、空気などの圧縮性媒体には適していないため、マイクロポンプは実際には実用的ではない。
さらに、既知のマイクロポンプは、必要とされる200V以上の高い供給電圧を使用する際に対電極とダイヤフラムとの電気的接触や短絡を防止するために、人手で組み立てられる。人手でチップを組み立てるのは全く不経済である。
Vertical electrostatic actuators exhibit instability during operation because the electrostatic forces above the characteristic voltage exceed the hydrostatic pressure of the electrode spacing and mechanical restoring forces. If the non-working distance of the electrodes is adjusted, this non-linearity is exploited in the operation of the actuator, lowering the operating voltage and using less energy. Furthermore, operation of electrostatic actuators always requires passivation or insulation of the electrodes and/or sidewalls in the electric field to prevent electrical shorts and even electrical breakdowns.
Because the electrostatic force is short-range, the stroke of an electrostatically driven micropump is relatively small. The deflecting force is quadratically proportional to the distance between the electrodes. For example, the stroke of known micropumps can be as little as 5 μm, which results in a stroke volume of only about 40 nl. If the dead volume is large, the compression ratio will be very low. Known micropumps are not bubble resistant and are not suitable for compressible media such as air, making micropumps practically impractical.
Furthermore, known micropumps are assembled manually to prevent electrical contact and short circuits between the counter electrode and the diaphragm when using the required high supply voltages of 200V or more. Assembling chips manually is completely uneconomical.

一方で、シリコン製の静電駆動マイクロポンプは圧電駆動マイクロポンプと比較して多くの利点を有し得る。
・標準的なMEMS製造工場における完全なウェハレベル加工で圧電体の接着がない
・すべてのプロセスステップは、ウェハレベルでの確立されたシリコン微細加工技術である
・圧電体配置、接着剤投与、接着剤ガーデニングなどによる製造公差がない
・すべての機械部品はシリコン製でセラミックを使用しないため、長期動作中の疲労や微小クラックがない
・材料はシリコンのみ(PZT圧電体のようにPbがなく、RoHSを満足している)
・推定800℃までの非常に高い温度での動作が可能(シリコンのみの場合、電気的界面の材料による)
・圧電体がないため、ヒステリシスが発生しない
・静電容量2nF(圧電体の場合)に対し100pF:エネルギー消費が小さい
On the other hand, electrostatically driven micropumps made of silicon may have many advantages compared to piezoelectrically driven micropumps.
・Full wafer level processing in a standard MEMS fab with no piezo bonding ・All process steps are established silicon microfabrication techniques at wafer level ・Piezo placement, adhesive dosing, bonding There are no manufacturing tolerances due to chemical gardening, etc. ・All mechanical parts are made of silicon and do not use ceramics, so there is no fatigue or micro-cracks during long-term operation ・Material is only silicon (no Pb like PZT piezoelectric material, RoHS compliant) satisfied)
・Can operate at extremely high temperatures, estimated at up to 800°C (in case of silicon only, depends on the material of the electrical interface)
・Hysteresis does not occur because there is no piezoelectric material. ・100 pF for capacitance of 2 nF (for piezoelectric material): low energy consumption.

・小型化の可能性:
○圧電駆動ではセラミックのピック&プレースに限定されるため、3×3mm2より小さいものは実現できない
○静電駆動ポンプは、さらに小さいもの(2×2mm2、おそらく1×1mm2まで)が実現することができ、ピック&プレースの必要はない
○静電作動のストローク(200Vで約5μm)は、チップサイズからほぼ独立している。圧電駆動の場合、ストロークはチップサイズにも依存する。
・2×2mm2マイクロポンプ:
○8インチのウェハにつき8000個のマイクロポンプ
○200wspwを超える場合の製造コストは約10セント
圧電駆動ポンプと比較して静電駆動マイクロポンプの利点は非常に多いが、静電駆動マイクロポンプは市販されていない。
短絡のリスクを最小限に抑えながら、ウェハレベルで製造されるように構成された静電マイクロポンプを実現することが求められている。本発明は、既知の静電駆動マイクロポンプの欠点を克服し、上述の利点を可能にするものである。
・Possibility of miniaturization:
○ Piezoelectric drive is limited to ceramic pick-and-place, so it is not possible to achieve anything smaller than 3 x 3 mm2. ○ Electrostatically driven pumps can achieve even smaller dimensions (2 x 2 mm2, perhaps even 1 x 1 mm2). ○The stroke of electrostatic actuation (approximately 5 μm at 200V) is almost independent of the chip size. In the case of piezoelectric actuation, the stroke also depends on the chip size.
・2x2mm2 micro pump:
○8000 micropumps per 8 inch wafer ○Manufacturing cost is approximately 10 cents for over 200 wspw Although the advantages of electrostatically driven micropumps are numerous compared to piezoelectrically driven pumps, electrostatically driven micropumps are not commercially available. It has not been.
There is a need to provide electrostatic micropumps that are configured to be manufactured at the wafer level while minimizing the risk of short circuits. The present invention overcomes the drawbacks of known electrostatically driven micropumps and enables the advantages mentioned above.

一般に、既知の静電駆動マイクロポンプの欠点を克服するために、静電的に作動されるダイヤフラムの行程容積はかなり高く、かつブロッキング圧力は十分高くするべきである。次に、プロセスによって、ポンプチャンバのデッドボリュームが十分小さいバルブユニットを作動ユニットに適合させて高い圧縮比が達成可能となるべきである。さらに、ポンプは、電気的に分離又は絶縁された電極に対して完全なウェハレベルで組み立てることが可能となるべきである。次に、ウェハをポンプチップにダイシングした後、電極にアクセスする必要があり、エッジでの短絡の危険が生じないようにすべきである。 Generally, the stroke volume of the electrostatically actuated diaphragm should be fairly high and the blocking pressure should be high enough to overcome the drawbacks of known electrostatically actuated micropumps. The process should then be able to match a valve unit with a sufficiently small dead volume in the pump chamber to the actuating unit to achieve a high compression ratio. Furthermore, the pump should be able to be assembled on a complete wafer level to electrically isolated or insulated electrodes. The electrodes then need to be accessed after dicing the wafer into pump chips and should not risk shorting at the edges.

本発明による一実施形態は、ダイヤフラムと第1の電極構造体とを含むダイヤフラム装置を備える静電マイクロポンプである。静電マイクロポンプは、入口逆止弁及び出口逆止弁を含むバルブ装置をさらに備え、ダイヤフラム装置及びバルブ装置は、少なくとも部分的にポンプチャンバを囲む。静電マイクロポンプは、第1の電極構造体と共に静電駆動部を形成するように配置された第2の電極構造体をさらに備える。静電駆動部は、ダイヤフラムを撓ませるように構成される。マイクロポンプは、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間に配置された少なくとも1つのスティクション防止バンプをさらに備え、マイクロポンプの非動作状態では、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の間隔は、ポンプチャンバの周辺領域からポンプチャンバの中央領域に向かって変動し、周辺領域は中央領域を取り囲む。
マイクロポンプの動作状態では、ダイヤフラムは、第1の電極構造体及び第2の電極構造体によって形成された静電駆動部によって撓むように構成される。
少なくとも1つのスティクション防止バンプは、ダイヤフラムが第2の電極構造体に固着するのを防止するために、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間に配置される。
One embodiment according to the invention is an electrostatic micropump comprising a diaphragm device including a diaphragm and a first electrode structure. The electrostatic micropump further includes a valve device including an inlet check valve and an outlet check valve, the diaphragm device and the valve device at least partially surrounding the pump chamber. The electrostatic micropump further comprises a second electrode structure arranged to form an electrostatic drive with the first electrode structure. The electrostatic actuator is configured to deflect the diaphragm. The micropump further comprises at least one anti-stiction bump disposed between the first electrode structure and the second electrode structure, and in the non-operating state of the micropump, the first electrode structure and The spacing between the second electrode structure varies from a peripheral region of the pump chamber towards a central region of the pump chamber, the peripheral region surrounding the central region.
In the operating state of the micropump, the diaphragm is configured to deflect due to the electrostatic drive formed by the first electrode structure and the second electrode structure.
At least one anti-stiction bump is disposed between the first and second electrode structures to prevent the diaphragm from sticking to the second electrode structure.

好ましい実施形態では、第1の電極構造体及び/又は第2の電極構造体は可変高さ形状を備え、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の間隔をポンプチャンバの周辺領域から中央領域に向かって増加させる。
2つの電極構造体の少なくとも一方の可変高さ形状は、ポンプチャンバ及び/又はポンプチャンバの行程容積を拡大するように構成される。さらに、可変高さ形状は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の最短距離を減少させ、その結果、静電駆動部の必要な電圧及び/又はエネルギー使用量を低減させ得る。
対電極の可変高さ形状は、機械的なストッパを形成するため、理論的には行程容積に対する効果は限られている。したがって、動作電圧を低下させ、かつ、行程容積を減少させずむしろ増加させる高さ形状を選択することが重要である。
作動状態における電極間、すなわち可動電極と剛性電極との間の容積は、非作動状態における電極間の容積の約半分の値とすることができる。
In a preferred embodiment, the first electrode structure and/or the second electrode structure have a variable height configuration, such that the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure is adjusted in the pump chamber. Increase from the peripheral area towards the central area.
The variable height shape of at least one of the two electrode structures is configured to enlarge the pump chamber and/or the stroke volume of the pump chamber. Additionally, the variable height geometry reduces the minimum distance between the first and second electrode structures, thereby reducing the required voltage and/or energy usage of the electrostatic drive. can be done.
The variable height geometry of the counter electrode theoretically has a limited effect on the stroke volume since it forms a mechanical stop. Therefore, it is important to select a height profile that reduces operating voltage and increases rather than reduces stroke volume.
The volume between the electrodes in the actuated state, ie between the movable electrode and the rigid electrode, may be approximately half the volume between the electrodes in the non-actuated state.

一実施形態によれば、少なくとも1つのスティクション防止バンプは、可変高さ形状に対向する第1又は第2の電極構造体に配置される。
少なくとも1つのスティクション防止バンプは、第1の電極構造体でもダイヤフラム装置でもない第2の電極構造体に配置されてもよい。少なくとも1つのスティクション防止バンプは、可変高さ形状に対向する第2の電極構造体に配置されてもよい。スティクション防止バンプは、例えば、供給電圧が引き込み電圧を超える場合、及び/又は、例えば、ダイヤフラムが静水圧によって対電極に押し付けられる場合に、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の固着(スティッキング)の発生のリスクを低減する。少なくとも1つのスティクション防止バンプは、引き込み電圧を超えた場合の静電固着、及び静水圧によって引き起こされるファンデルワールス固着の両方の発生を低減する。
可変高さ形状に対向するように、例えば平坦な表面にスティクション防止バンプを配置することにより、スティクション防止バンプの容易な配置又は生成が可能となり、かつ可変高さ形状の精度がスティクション防止バンプの生成によって影響されないようにすることができる。
静電作動を使用する1つの問題は、静電固着である。高電圧が印加されると、2つの部分は互いに接触する。そうした状況では、絶縁層内に非常に高い電界が発生し、(この高電界によって駆動される)電荷が2つの部分の境界を超えて絶縁層内に緩和され得る。その後、電圧を解除すると、電荷が絶縁層に留まって静電固着を発生する。その状況を克服するために、1つの有望な戦略は、例えばスティクション防止バンプによって高電界が印加される接触面積を減少させることである。スティクション防止バンプの機能は、硬質材同士の接触面積を減少させ、電荷が緩和され得る面積を減少させることである。静電固着は、バンプとの接触面積とポンプなしの接触面積との比によって低減される。さらに、有益な比率によってファンデルワールス固着も低減される。さらに、アクチュエータ又はマイクロポンプのバイポーラ(例えば、-200V~200V)駆動電圧も、静電固着の影響を低減する。
According to one embodiment, at least one anti-stiction bump is arranged on the first or second electrode structure opposite the variable height shape.
The at least one anti-stiction bump may be located on the second electrode structure that is neither the first electrode structure nor the diaphragm device. At least one anti-stiction bump may be disposed on the second electrode structure opposite the variable height shape. Anti-stiction bumps may be present between the first and second electrode structures, e.g. when the supply voltage exceeds the pull-in voltage and/or when the diaphragm is pressed against the counter electrode by hydrostatic pressure, for example. Reduces the risk of sticking between the parts. The at least one anti-stiction bump reduces the occurrence of both electrostatic sticking when the pull-in voltage is exceeded and van der Waals sticking caused by hydrostatic pressure.
Placing the anti-stiction bump on a flat surface, for example, opposite the variable height feature allows easy placement or generation of the anti-stiction bump, and the precision of the variable height feature improves the anti-stiction It can be made unaffected by the generation of bumps.
One problem with using electrostatic actuation is electrostatic sticking. When a high voltage is applied, the two parts come into contact with each other. In such a situation, a very high electric field is generated within the insulating layer and the charge (driven by this high electric field) can be relaxed into the insulating layer across the boundary of the two parts. Thereafter, when the voltage is removed, the charge remains in the insulating layer and electrostatic sticking occurs. To overcome the situation, one promising strategy is to reduce the contact area to which high electric fields are applied, for example by anti-stiction bumps. The function of anti-stiction bumps is to reduce the contact area between hard materials, reducing the area over which charges can be relaxed. Electrostatic sticking is reduced by the ratio of the contact area with the bump to the contact area without the pump. Additionally, the beneficial ratio also reduces van der Waals sticking. Additionally, bipolar (eg, -200V to 200V) drive voltage of the actuator or micropump also reduces the effects of electrostatic sticking.

バンプの設計に関して、以下の境界条件がある。バンプの高さはアクチュエータのストロークを減少させるため、この高さは可能な限り小さくすべきである。エッチング技術に関しては、10ナノメートル~200ナノメートルの高さが実現可能である。これらの領域で電荷緩和を回避するには、小さな間隙で十分である。
すべてのバンプの接触面積は、(固着を低減するために、)ポンプなしの接触面積と比較してはるかに小さくなければならない。しかしながら、すべてのバンプの合計の接触面積が小さすぎると、全体の力がこの小さい面積に集中し、バンプの機械的安定性を超える可能性がある。バンプへの静電圧縮力によってバンプが損傷を受ける可能性がある。そのために、この接触領域は、加えられ得る最大機械的応力を大幅に下回るように選択されるべきである。単結晶シリコンの場合、この値は約4GPaであり、酸化シリコンではより小さい値となる。
Regarding bump design, there are the following boundary conditions. The height of the bump should be as small as possible since it reduces the stroke of the actuator. Regarding etching techniques, heights of 10 nanometers to 200 nanometers are achievable. Small gaps are sufficient to avoid charge relaxation in these regions.
The contact area of all bumps should be much smaller compared to the contact area without the pump (to reduce sticking). However, if the total contact area of all bumps is too small, the entire force will be concentrated on this small area and may exceed the mechanical stability of the bumps. Electrostatic compressive forces on the bumps can cause damage to the bumps. For this purpose, this contact area should be selected to be significantly below the maximum mechanical stress that can be applied. For single crystal silicon, this value is approximately 4 GPa, and for silicon oxide it is a smaller value.

実施形態によれば、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の間隔は、ポンプチャンバの周辺領域から中央領域に向かって複数のステップで段階的に増加する。
ポンプ及び/又は電極チャンバの周辺領域から中央領域に向かって段階的に増加する高さ形状は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の最短距離を減少させることができ、その結果、供給電圧の必要量が低下するため、マイクロポンプのエネルギー使用量が低減され、高電圧生成のための小型で確立された回路の使用が可能になる。
好ましい実施形態では、周辺領域において、第1の電極構造体及び第2の電極構造体に機械的接触を提供し、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する絶縁層によって、第1の電極構造体及び第2の電極構造体が互いに絶縁される。
第1の電極構造体及び第2の電極構造体がダイヤフラムを撓ませるための静電駆動部を形成するので、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間に電気的貫通が発生すると、ダイヤフラムを撓ませるための静電力が小さくなり得る。すなわち、2つの電極構造体間の電気的貫通は好ましくなく、2つの電極構造体間の絶縁層によって防止される。
According to an embodiment, the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure increases in steps from the peripheral region towards the central region of the pump chamber.
A stepwise increasing height profile from the peripheral region to the central region of the pump and/or electrode chamber can reduce the minimum distance between the first electrode structure and the second electrode structure. , the resulting lower supply voltage requirements reduce the energy usage of the micropump and allow the use of compact and well-established circuits for high voltage generation.
In a preferred embodiment, mechanical contact is provided to the first electrode structure and the second electrode structure in the peripheral region, and electrical penetration between the first electrode structure and the second electrode structure is provided. The first electrode structure and the second electrode structure are insulated from each other by an insulating layer that prevents the occurrence of.
Since the first electrode structure and the second electrode structure form an electrostatic drive for deflecting the diaphragm, there is electrical penetration between the first electrode structure and the second electrode structure. If this occurs, the electrostatic force to deflect the diaphragm may be small. That is, electrical penetration between the two electrode structures is undesirable and is prevented by an insulating layer between the two electrode structures.

好ましい実施形態では、静電駆動部は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電圧に基づいて、ポンプチャンバ内の圧力及び/又はポンプチャンバの容積を変化させるように構成される。
第1及び第2の電極構造体によって形成された静電駆動部はポンプチャンバに圧力を加え、その力は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電圧に依存する。第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電圧は小さなステップで変更することができるため、マイクロポンプは、ポンプチャンバの容積及び/又は圧力を小さなステップで意図的に設定できる実用的な装置となる。
In a preferred embodiment, the electrostatic drive is configured to vary the pressure within the pump chamber and/or the volume of the pump chamber based on the voltage between the first electrode structure and the second electrode structure. configured.
The electrostatic drive formed by the first and second electrode structures exerts pressure on the pump chamber, the force being dependent on the voltage between the first and second electrode structures. . Since the voltage between the first electrode structure and the second electrode structure can be changed in small steps, the micropump can intentionally set the volume and/or pressure of the pump chamber in small steps. It becomes a practical device.

好ましい実施形態では、バルブ装置は層装置である。入口逆止弁及び出口逆止弁は、バルブ装置に対して面内に配置される。入口逆止弁と出口逆止弁の両方は、入口トンネルと、弁フラップと、出口トンネルと、デッドボリュームとを備え、入口トンネル、開状態の弁フラップ、及び出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成される。入口逆止弁を通る流体の流れの方向は、出口逆止弁を通る流体の流れの方向と反対である。
静電マイクロポンプは、少なくとも1つの入口逆止弁と、少なくとも1つの出口逆止弁とを備える。迅速かつ/又は安価な製造に到達するために、入口逆止弁及び出口逆止弁は層装置に配置されてもよく、入口逆止弁及び出口逆止弁はこの層と同一面内に配置される。バルブ装置の複雑さをさらに低減するために、入口逆止弁及び出口逆止弁に同じ又は類似の逆止弁を使用することができ、入口逆止弁の入口トンネルは、出口逆止弁の入口トンネルの反対方向を向いている。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、第1の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。
ダイヤフラム装置のダイヤフラムが非導電性材料で作られる場合、ダイヤフラム装置は、第1の電極構造体の一部である追加の導電層を備える。
好ましい実施形態では、バルブ装置は半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば480μm~540μmの厚さを備え、かつ/又はダイヤフラム装置は、ダイヤフラム装置の主面に垂直な例えば10μm~120μmの厚さの半導体層を備える。
In a preferred embodiment, the valve device is a layer device. The inlet check valve and the outlet check valve are arranged in-plane with respect to the valve arrangement. Both inlet and outlet check valves include an inlet tunnel, a valve flap, an outlet tunnel, and a dead volume such that fluid flow through the inlet tunnel, the open valve flap, and the outlet tunnel. configured to guide The direction of fluid flow through the inlet check valve is opposite the direction of fluid flow through the outlet check valve.
The electrostatic micropump includes at least one inlet check valve and at least one outlet check valve. In order to reach quick and/or cheap manufacturing, the inlet check valve and the outlet check valve may be arranged in a layer device, the inlet check valve and the outlet check valve being arranged in the same plane as this layer. be done. To further reduce the complexity of the valve arrangement, the same or similar check valves can be used for the inlet check valve and the outlet check valve, and the inlet tunnel of the inlet check valve is similar to that of the outlet check valve. It faces the opposite direction of the entrance tunnel.
In a preferred embodiment, the diaphragm device comprises a conductive layer that is at least part of the first electrode structure.
If the diaphragm of the diaphragm device is made of a non-conductive material, the diaphragm device comprises an additional conductive layer that is part of the first electrode structure.
In a preferred embodiment, the valve device comprises a stack of semiconductor layers and has a thickness of eg 480 μm to 540 μm perpendicular to the major surface of the valve device and/or the diaphragm device has a thickness of eg 10 μm perpendicular to the major surface of the diaphragm device. A semiconductor layer with a thickness of ˜120 μm is provided.

好ましい実施形態では、バルブ装置は、第2の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。本発明の一実施形態は、ダイヤフラム装置をバルブ装置に取り付けることによって実現することができる。ダイヤフラム装置及びバルブ装置の両方は、第1の電極構造体又は第2の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるか、又はそのような導電性材料で作られる。ポンプチャンバは、バルブ装置及びダイヤフラム装置によって形成される。
好ましい実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラムをバルブ装置に向かって撓ませてポンプチャンバを圧縮し、流体がポンプチャンバから出口逆止弁を通って環境に流れるように構成される。
一実施形態によれば、ポンプチャンバから出口逆止弁を通って流れる流体は非導電性流体である。
非導電性流体は、ポンプチャンバを形成する第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する。電気的貫通はポンプチャンバを圧縮する力を低下させるため、好ましくない。
好ましい実施形態では、バルブ装置はシリコン層などの半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば480μm~540μmの厚さを備え、かつ/又はダイヤフラム装置は、バルブ装置の主面に垂直な例えば10μm~120μmの厚さのシリコン層などの半導体層を備える。
In a preferred embodiment, the valve device comprises a conductive layer that is at least part of the second electrode structure. One embodiment of the invention can be realized by attaching a diaphragm device to a valve device. Both the diaphragm device and the valve device include a conductive layer that is at least part of the first electrode structure or the second electrode structure, or are made of such a conductive material. The pump chamber is formed by a valve device and a diaphragm device.
In a preferred embodiment, the electrostatic drive is configured such that, when actuated, the diaphragm deflects the diaphragm toward the valve device to compress the pump chamber and cause fluid to flow from the pump chamber through the outlet check valve and into the environment. be done.
According to one embodiment, the fluid flowing from the pump chamber through the outlet check valve is a non-conductive fluid.
The non-conductive fluid prevents electrical penetration between the first and second electrode structures forming the pump chamber. Electrical penetrations are undesirable because they reduce the force compressing the pump chamber.
In a preferred embodiment, the valve device comprises a stack of semiconductor layers, such as silicon layers, with a thickness of for example 480 μm to 540 μm perpendicular to the major surface of the valve device, and/or the diaphragm device comprises a stack of semiconductor layers, such as silicon layers, and/or a diaphragm device comprises a stack of semiconductor layers, such as silicon layers, with a thickness of eg 480 μm to 540 μm perpendicular to the major surface of the valve device. A vertical semiconductor layer such as a silicon layer with a thickness of 10 μm to 120 μm is provided.

一実施形態によれば、静電ポンプはステータ構造体を備える。ダイヤフラム装置は、ステータ構造体及びダイヤフラム装置が電極チャンバを取り囲むように、バルブ構造体とステータ構造体との間に配置される。ステータ構造体は、第2の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。
静電マイクロポンプは、ステータ構造体と、ダイヤフラム装置と、バルブ装置とを備えてもよい。ステータ構造体はダイヤフラム装置に取り付けられ、電極チャンバを形成する。ダイヤフラム装置はさらにバルブ構造体に取り付けられてポンプチャンバを形成し、ダイヤフラム装置はステータ構造体とバルブ装置との間にある。本実施形態では、ダイヤフラム装置は第1の電極構造体を備え、ステータ構造体は第2の電極構造体を備える。
一実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラム装置をステータ構造体に向かって撓ませてポンプチャンバを膨張させ、流体が入口逆止弁を通ってポンプチャンバ内に流れるように構成される。
静的駆動部は、第1及び第2の電極構造体、すなわちステータ構造体及びダイヤフラム装置によって形成される。ステータ構造体は作動時も機械的に安定したままであり、ダイヤフラム装置はステータ構造体に向かって撓むため、電極チャンバは圧縮されポンプチャンバは膨張する。ポンプチャンバが膨張するとポンプチャンバ内の圧力が低下するため、流体が環境から入口逆止弁を通ってポンプチャンバに流入する。
According to one embodiment, an electrostatic pump includes a stator structure. A diaphragm device is positioned between the valve structure and the stator structure such that the stator structure and diaphragm device surround the electrode chamber. The stator structure includes a conductive layer that is at least part of the second electrode structure.
The electrostatic micropump may include a stator structure, a diaphragm device, and a valve device. A stator structure is attached to the diaphragm device and forms an electrode chamber. A diaphragm device is further attached to the valve structure to define a pump chamber, and the diaphragm device is between the stator structure and the valve device. In this embodiment, the diaphragm device includes a first electrode structure and the stator structure includes a second electrode structure.
In one embodiment, the electrostatic drive, when actuated, deflects the diaphragm device toward the stator structure to expand the pump chamber such that fluid flows through the inlet check valve and into the pump chamber. configured.
The static drive is formed by first and second electrode structures, ie a stator structure and a diaphragm device. The stator structure remains mechanically stable during operation, and the diaphragm device deflects toward the stator structure, thereby compressing the electrode chamber and expanding the pump chamber. As the pump chamber expands, the pressure within the pump chamber decreases, allowing fluid to flow from the environment through the inlet check valve and into the pump chamber.

一実施形態によれば、入口逆止弁を通ってポンプチャンバ内に流れる流体は導電性又は非導電性流体である。
本発明のマイクロポンプが別個の電極チャンバと別個のポンプチャンバとを備える場合、第1及び第2の電極構造体は電極チャンバを形成する。この場合、ポンプチャンバ内を流れる流体は両電極構造体に接触しないため、流体の導電率は静電マイクロポンプのポンプ性能に影響を与えない。
一実施形態によれば、ステータ構造体はシリコン層などの半導体層を備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば450μmの厚さを備える。
好ましい実施形態では、ステータ構造体はダイヤフラム装置と比較して高い剛性を備える。
剛性のあるステータ構造体、又は少なくともダイヤフラム装置よりも剛性のあるステータ構造体を有する静電マイクロポンプは、作動されると、ステータ構造体が安定又は機械的に安定したままである一方でダイヤフラム装置が可動部分となるという利点を有する。
According to one embodiment, the fluid flowing into the pump chamber through the inlet check valve is an electrically conductive or non-conductive fluid.
If the micropump of the invention comprises a separate electrode chamber and a separate pump chamber, the first and second electrode structures form the electrode chamber. In this case, the fluid flowing within the pump chamber does not contact both electrode structures, so the conductivity of the fluid does not affect the pumping performance of the electrostatic micropump.
According to one embodiment, the stator structure comprises a semiconductor layer, such as a silicon layer, and has a thickness perpendicular to the main surface of the valve arrangement, for example 450 μm.
In a preferred embodiment, the stator structure has a high stiffness compared to the diaphragm device.
Electrostatic micropumps that have a rigid stator structure, or at least a stator structure that is more rigid than the diaphragm device, when actuated, the diaphragm device remains stable or mechanically stable while the stator structure remains stable or mechanically stable. has the advantage of being a moving part.

一実施形態によれば、静電マイクロポンプは、電極チャンバを静電マイクロポンプの環境と流体接続するように構成された通気口を備える。
電極チャンバを環境と接続する通気口は、電極チャンバと環境との間の圧力平衡器として作用する。この場合、大気圧は、ダイヤフラムのゼロ位置、すなわち非作動状態の位置を変化させない。すなわち、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しない。
好ましい実施形態では、通気口は、蛇行部、高い流れ抵抗、又は毛細管停止部を使用することによって電極チャンバの汚染を防止するように構成される。
電極チャンバの汚染は、ダイヤフラムの移動性を低下させる可能性があり、電極チャンバの容積を減少させる可能性があり、かつ/又は第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の電気的貫通を引き起こす可能性があり、ダイヤフラムを撓ませるのに2つの電極構造体の間に必要な電圧及び/又は静電力を増加させる。蛇行部、高い流れ抵抗、及び/又は毛細管停止部などの様々な方法は電極チャンバの汚染を防止する。
一実施形態によれば、通気口は、電極チャンバの汚染を防止するように構成されたフィルタ及び/又はバッファボリュームを備える。
電極チャンバの代わりに汚染されるバッファボリューム及び/又は汚染を除去するフィルタを使用することにより、電極チャンバの汚染をさらに防止することができる。
According to one embodiment, the electrostatic micropump includes a vent configured to fluidly connect the electrode chamber with the environment of the electrostatic micropump.
The vent connecting the electrode chamber with the environment acts as a pressure equalizer between the electrode chamber and the environment. In this case, atmospheric pressure does not change the zero or inactive position of the diaphragm. That is, a high compression ratio can be achieved with a flat diaphragm and no back pressure is created within the electrode chamber when the diaphragm moves.
In preferred embodiments, the vent is configured to prevent contamination of the electrode chamber by using serpentines, high flow resistance, or capillary stops.
Contamination of the electrode chamber can reduce the mobility of the diaphragm, can reduce the volume of the electrode chamber, and/or can reduce the volume of the electrode chamber between the first and second electrode structures. Electrical penetration can occur, increasing the voltage and/or electrostatic force required between the two electrode structures to deflect the diaphragm. Various methods such as meandering, high flow resistance, and/or capillary stops prevent contamination of the electrode chamber.
According to one embodiment, the vent comprises a filter and/or buffer volume configured to prevent contamination of the electrode chamber.
Contamination of the electrode chamber can be further prevented by using a contaminated buffer volume in place of the electrode chamber and/or a filter to remove contamination.

一実施形態によれば、ダイヤフラム装置のダイヤフラムは事前に撓んでいる。
通気口を使用する代わりに、ダイヤフラム装置を事前に撓ませてもよい。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の距離をさらに減少させ、電極チャンバを圧縮し、ポンプチャンバを膨張させるのに必要な力及び/又は電圧を低減させることができる。ダイヤフラム装置は、真空中でステータ構造体に接合されてもよい。事前の撓みの程度は、加える真空に依存してもよい。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、接触領域における静電駆動部の非作動状態でステータ構造体と機械的接触を形成するように事前に撓んでおり、静電駆動部は作動状態で接触領域を増加させるように適合される。
静電力は、第1の電極構造体と第2の電極構造体との間の距離に二次的に依存する。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、電極構造体間の距離を減少させ、ダイヤフラム装置を撓ませるのに必要な供給電圧をはるかに少なくし得る。ステータ構造体に接触する事前に撓ませたダイヤフラム装置のさらなる利点は、電極チャンバの高さが増加され得ること、すなわち、マイクロポンプが作動されるときにポンプチャンバの容積が増加されることである。
According to one embodiment, the diaphragm of the diaphragm device is pre-deflected.
Instead of using vents, the diaphragm device may be pre-deflected. The pre-deflected diaphragm device further reduces the distance between the first and second electrode structures and reduces the force and/or pressure required to compress the electrode chamber and expand the pump chamber. Or the voltage can be reduced. The diaphragm device may be bonded to the stator structure in a vacuum. The degree of pre-deflection may depend on the vacuum applied.
In a preferred embodiment, the diaphragm device is pre-deflected to form mechanical contact with the stator structure in the non-actuated state of the electrostatic drive in the contact area, and the electrostatic drive in the actuated state forms a mechanical contact with the stator structure. adapted to increase.
The electrostatic force depends secondarily on the distance between the first and second electrode structures. A pre-deflected diaphragm device reduces the distance between the electrode structures and may require much less supply voltage to deflect the diaphragm device. A further advantage of the pre-deflected diaphragm device in contact with the stator structure is that the height of the electrode chamber can be increased, i.e. the volume of the pump chamber is increased when the micropump is activated. .

好ましい実施形態では、第1の電極構造体の導電層及び第2の電極構造体の導電層は、金属材料などの導電性材料、又は金属材料の導電性を有するホウ素若しくはリン光体及びシリコンなどの高濃度ドープ半導体材料で作られる。
本発明によるさらなる実施形態は、それぞれの方法を生み出す。
しかしながら、方法は、対応する装置と同じ考慮に基づくことに留意されたい。さらに、方法は、特徴又は機能のいずれかによって補足され、装置に関して個別にかつ組み合わせて本明細書に記載され得る。
以下では、本開示の実施形態が、図面を参照してより詳細に説明される。
In a preferred embodiment, the conductive layer of the first electrode structure and the conductive layer of the second electrode structure are made of a conductive material such as a metal material, or a material having the conductivity of a metal material such as boron or phosphor and silicon. Made of highly doped semiconductor material.
Further embodiments according to the invention produce respective methods.
However, it should be noted that the method is based on the same considerations as the corresponding device. Furthermore, the methods may be supplemented by any of the features or functionality described herein individually and in combination with respect to the apparatus.
In the following, embodiments of the disclosure will be explained in more detail with reference to the drawings.

一実施形態による、3つの層を備える静電マイクロポンプの概略側面図である。1 is a schematic side view of an electrostatic micropump with three layers, according to one embodiment; FIG. 一実施形態による、4つの層を備える静電マイクロポンプの概略側面図である。1 is a schematic side view of an electrostatic micropump with four layers, according to one embodiment; FIG. 一実施形態による、静電マイクロポンプを製造するステップによって提供される第1の層及び第2の層の概略側面図である。2 is a schematic side view of a first layer and a second layer provided by a step of manufacturing an electrostatic micropump, according to one embodiment; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第2の層を最初にエッチングしたときに得られ得る第2の層の概略側面図、及びエッチングマスクの上面図である。FIG. 4 is a schematic side view of the second layer and a top view of the etching mask that can be obtained when the second layer is etched first, according to an embodiment for manufacturing a micropump; マイクロポンプを製造するための一実施形態による、通気口有り又は無しで第2の層を2回目にエッチングしたときに得られ得る第2の層の概略側面図、及びエッチングマスクの上面図である。FIG. 3 is a schematic side view of the second layer that can be obtained when etching the second layer a second time with or without vents, and a top view of the etching mask, according to an embodiment for manufacturing a micropump; . マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第1の層及び第2の層を酸化したときに得られ得る絶縁された第1の層及び絶縁された第2の層の概略側面図である。2 is a schematic side view of an insulated first layer and an insulated second layer that can be obtained when oxidizing the first and second layers according to an embodiment for manufacturing a micropump; FIG. . マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第2の層内のスティクション防止バンプをエッチングしたときに得られ得る、スティクション防止バンプを有する絶縁された第2の層の概略側面図、及びドットパターンを有するエッチングマスクの上面図である。Schematic side view of an insulated second layer with anti-stiction bumps that can be obtained when etching anti-stiction bumps in the insulated second layer according to an embodiment for manufacturing a micropump and a top view of an etching mask with a dot pattern. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第1の層のフレーム領域をエッチング除去したときに得られ得る絶縁された第1の層の概略側面図、及びフレーム形状を有するエッチングマスクの上面図である。Schematic side view of an insulated first layer and an etching mask with a frame shape obtainable when etching away the frame region of the insulated first layer, according to an embodiment for manufacturing a micropump; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第1の層を絶縁された第2の層に取り付けたときに得られ得るチップレベルでのアクチュエータ装置の概略側面図である。2 is a schematic side view of an actuator device at chip level that can be obtained when attaching an insulated first layer to an insulated second layer according to one embodiment for manufacturing a micropump; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第1の層のウェハを絶縁された第2の層のウェハに取り付けたときに得られ得るウェハレベルでの複数のアクチュエータ装置の概略側面図である。Schematic side view of a multiple actuator device at wafer level that can be obtained when attaching an insulated first layer wafer to an insulated second layer wafer, according to one embodiment for manufacturing a micropump. It is a diagram. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の主面から絶縁層を除去したときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。2 is a schematic side view of an actuator device obtainable when removing an insulating layer from the main surface of the actuator device according to an embodiment for manufacturing a micropump; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の第1の層を薄くしたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。2 is a schematic side view of an actuator device obtainable when thinning the first layer of the actuator device according to one embodiment for manufacturing a micropump; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の第1の層を有する主面上に導電性材料を堆積させたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。2 is a schematic side view of an actuator device that can be obtained when depositing a conductive material on the main surface with a first layer of the actuator device, according to an embodiment for manufacturing a micropump; FIG. マイクロポンプを製造するための一実施形態による、周辺領域から導電性材料を除去したときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。2 is a schematic side view of an actuator device obtainable upon removal of conductive material from the surrounding area, according to one embodiment for manufacturing a micropump; FIG. 一実施形態による、アクチュエータ装置を試験するように構成されたウェハ試験装置の概略側面図である。1 is a schematic side view of a wafer testing apparatus configured to test an actuator device, according to one embodiment; FIG. 一実施形態によるアクチュエータ装置の概略側面図である。FIG. 2 is a schematic side view of an actuator device according to one embodiment. 一実施形態による、アクチュエータ装置の全ループ変形例の概略側面図である。FIG. 4 is a schematic side view of a full-loop variation of an actuator device according to one embodiment; 一実施形態によるマイクロポンプの概略側面図である。FIG. 2 is a schematic side view of a micropump according to one embodiment. 実施形態による静電マイクロポンプ設計のシミュレートされた値の表を示す。FIG. 5 shows a table of simulated values for an electrostatic micropump design according to an embodiment. 一実施形態による、通気口を有するマイクロポンプの概略側面図である。FIG. 2 is a schematic side view of a micropump with a vent, according to one embodiment. 一実施形態による、バッファボリューム及び毛細管停止部を有する通気口の概略上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of a vent with a buffer volume and a capillary stop, according to one embodiment. 一実施形態による、断面が縮小された通気口の概略上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of a reduced cross-section vent according to one embodiment; 一実施形態による、蛇行部を有する通気口の概略上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of a vent with serpentine sections, according to one embodiment. 一実施形態による、フィルタを有する通気口の概略上面図である。FIG. 2 is a schematic top view of a vent with a filter, according to one embodiment. 一実施形態による、バッファボリュームを有する通気口の概略上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of a vent with a buffer volume, according to one embodiment. 一実施形態による、非作動状態における事前撓みダイヤフラムを有するマイクロポンプの概略側面図である。1 is a schematic side view of a micropump with a pre-deflected diaphragm in an unactuated state, according to one embodiment; FIG. 一実施形態による、作動状態における事前撓みダイヤフラムを有するマイクロポンプの概略側面図である。1 is a schematic side view of a micropump with a pre-deflected diaphragm in an actuated state, according to one embodiment; FIG. 既知のマイクロポンプを示す。A known micropump is shown.

以下では、本発明の種々の実施形態及び態様について説明する。また、さらなる実施形態が添付の特許請求の範囲によって定義される。
特許請求の範囲によって定義される任意の実施形態は、本明細書に記載の詳細、特徴、及び機能のいずれかによって補足され得ることに留意されたい。また、本明細書に記載の実施形態は個別に使用され、かつ、特許請求の範囲に含まれる詳細、特徴、及び機能のいずれかによって任意選択的に補足され得る。
また、本明細書に記載の個々の態様は、個別に又は組み合わせて使用され得ることに留意されたい。したがって、前記個々の態様のうちの別のものに詳細を追加することなく、前記態様の各々に詳細が追加され得る。本開示は、静電マイクロポンプで使用可能な特徴を明示的又は暗黙的に記載することにも留意されたい。したがって、本明細書に記載のいずれの特徴も、静電マイクロポンプの文脈で使用され得る。さらに、方法に関連して本明細書で開示される特徴及び機能も、そのような機能を実行するように構成された装置で使用され得る。
さらに、装置に関して本明細書に開示された任意の特徴及び機能は、対応する方法で使用され得る。言い換えれば、本明細書に開示された方法は、装置に関して説明された特徴及び機能のいずれかによって補足され得る。
本発明は、以下に記載される詳細な説明及び本発明の実施形態の添付の図面からより完全に理解されるが、これらは本発明を記載される特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、説明及び理解のためのものにすぎない。
Various embodiments and aspects of the invention are described below. Further embodiments are also defined by the appended claims.
It is noted that any embodiment defined by the claims may be supplemented by any of the details, features, and functionality described herein. Also, the embodiments described herein may be used individually and optionally supplemented with any of the details, features and functionality falling within the scope of the claims.
It is also noted that the individual aspects described herein can be used individually or in combination. Thus, details may be added to each of the aspects without adding detail to another of the individual aspects. Note also that this disclosure explicitly or implicitly describes features that can be used with electrostatic micropumps. Therefore, any of the features described herein can be used in the context of electrostatic micropumps. Furthermore, the features and functions disclosed herein in connection with methods may also be used in devices configured to perform such functions.
Furthermore, any features and functionality disclosed herein with respect to the device may be used in a corresponding manner. In other words, the methods disclosed herein may be supplemented with any of the features and functionality described with respect to the apparatus.
The present invention will be more fully understood from the following detailed description and accompanying drawings of embodiments of the invention, which should not be construed to limit the invention to the specific embodiments described. It should not be used, but is only for explanation and understanding.

図1は、一実施形態による、3つの層101、102、103を備える静電マイクロポンプ100の概略側面図を示す。層101、102、103を1つの層として説明しているが、それらのうちの1つ又は複数が、同じ又は異なる材料の複数の積層によって形成されてもよい。層101、層102及び層103は、例えばシリコン材料などの半導体材料を含んでもよい。層101、層102及び層103は、任意の適切な厚さを含んでもよく、好ましい値は、すなわち約±50%、±30又は±20%の許容範囲内の層厚で、例えば層101は450μm、層102は30~90μm、層103は10~120μmであってもよい。
層101の主面は、入口逆止弁160及び出口逆止弁170を備えるバルブ装置120を形成するために層102の主面に取り付けられる。入口逆止弁160及び出口逆止弁170は、バルブ装置120に対して面内に配置される。入口逆止弁160及び出口逆止弁170は同様の構造を有してもよく、開状態において流体が反対方向に流れることを可能にする。
FIG. 1 shows a schematic side view of an electrostatic micropump 100 comprising three layers 101, 102, 103, according to one embodiment. Although layers 101, 102, 103 are described as one layer, one or more of them may be formed by multiple stacks of the same or different materials. Layer 101, layer 102 and layer 103 may include a semiconductor material, such as a silicon material. Layer 101, layer 102 and layer 103 may comprise any suitable thickness, with preferred values being layer thicknesses within a tolerance range of approximately ±50%, ±30 or ±20%, e.g. 450 μm, layer 102 may be 30-90 μm and layer 103 may be 10-120 μm.
The major surface of layer 101 is attached to the major surface of layer 102 to form a valve arrangement 120 comprising an inlet check valve 160 and an outlet check valve 170. Inlet check valve 160 and outlet check valve 170 are arranged in-plane with respect to valve arrangement 120 . Inlet check valve 160 and outlet check valve 170 may have similar construction, allowing fluid to flow in opposite directions in the open state.

層101及び102は、互いに取り付けられたときに弁160及び170を形成する特定の構造を備えてもよい。例えば、層101及び102によって形成された構造は、開口並びに入口トンネル130及び/又は出口トンネル150などの流体を導く流路などのうちの1つ又は複数を備えてもよい。例えば、例えば弁フラップ140などの部品のいくつかは、流体の流れ及び/又は流体の圧力に応答して撓み可能であってもよい。例えば、デッドボリューム106などの一部の部分は、撓み可能部品の撓みを可能にする空の空間によって形成されてもよい。
バルブ装置120の主面は、ダイヤフラム装置180の第1の主面185に取り付けられる。
Layers 101 and 102 may have a particular structure that forms valves 160 and 170 when attached to each other. For example, the structure formed by layers 101 and 102 may include one or more of apertures and fluid conducting channels such as inlet tunnel 130 and/or outlet tunnel 150. For example, some of the components, such as valve flap 140, may be deflectable in response to fluid flow and/or fluid pressure. For example, some portions, such as dead volume 106, may be formed by empty space that allows for deflection of the deflectable component.
A major surface of valve device 120 is attached to a first major surface 185 of diaphragm device 180 .

ダイヤフラム装置180は、ダイヤフラム装置180の第1の主面185上の絶縁層104、例えば二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層によってバルブ装置120から絶縁され得る層103を備える。凹部195は、図14に関連して説明されるように、例えばダイシングを容易にするのに使用される絶縁間隙の跡であってもよい。
バルブ装置120とダイヤフラム装置180の両方は、電極構造体を備えてもよい。ダイヤフラム装置180は第1の電極構造体109を備え、バルブ装置120は第2の電極構造体108を備え、第1の電極構造体は絶縁層104によって第2の電極構造体から絶縁されている。第1の電極構造体109及び第2の電極構造体108は、ダイヤフラム装置180を撓ませるように構成された静電駆動部を形成する。電極構造体は、図1に示すように別個の層であってもよいが、例えば、例えば金属材料若しくはドープされた半導体材料又はこれらの組合せなどの導電性材料を含むように少なくとも1つの層の材料を提供することによって実施されてもよい。
The diaphragm device 180 comprises a layer 103 that can be insulated from the valve device 120 by an insulating layer 104 on a first major surface 185 of the diaphragm device 180, for example a silicon dioxide layer or a silicon nitride layer. The recess 195 may be, for example, the remains of an insulating gap used to facilitate dicing, as described in connection with FIG. 14.
Both valve device 120 and diaphragm device 180 may include electrode structures. The diaphragm device 180 includes a first electrode structure 109 and the valve device 120 includes a second electrode structure 108, the first electrode structure being insulated from the second electrode structure by an insulating layer 104. . First electrode structure 109 and second electrode structure 108 form an electrostatic drive configured to deflect diaphragm device 180 . The electrode structure may be a separate layer, as shown in FIG. 1, but may include at least one layer of conductive material, such as, for example, a metallic material or a doped semiconductor material or a combination thereof. This may be done by providing the material.

入口弁160及び出口弁170を備えるマイクロポンプ100の中央領域190において、層103又はダイヤフラム装置180の第1の主面185は、階段状可変高さ形状(プロファイル)107と、1つ又は複数のスティクション防止バンプ105とを備える。ダイヤフラム装置180の第1の主面185上の可変高さ形状107によって少なくとも部分的に得られるダイヤフラム装置180とバルブ装置120の層との間の距離は、ポンプチャンバ110と呼ばれ得るボリュームを生成し得る。代替的又は追加的に、スティクション防止バンプ105は、ポンプチャンバ110の反対側、すなわちバルブ装置120にも配置されてもよい。 In the central region 190 of the micropump 100 comprising the inlet valve 160 and the outlet valve 170, the first major surface 185 of the layer 103 or diaphragm device 180 has a stepped variable height profile 107 and one or more stiction prevention bumps 105. The distance between the diaphragm device 180 and the layer of the valve device 120, obtained at least in part by the variable height feature 107 on the first major surface 185 of the diaphragm device 180, creates a volume that may be referred to as a pump chamber 110. It is possible. Alternatively or additionally, the anti-stiction bump 105 may also be arranged on the opposite side of the pump chamber 110, ie on the valve device 120.

静電マイクロポンプ100は、第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間に電圧を印加することにより作動するように構成される。電極構造体間の電圧は、ポンプチャンバ110を圧縮する力を生成する。力は、第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間の距離に二次的に依存する。
階段状可変高さ形状107は、特に事前撓みなしの膜構造を実施するときに一定の距離の高さ形状でポンプチャンバを圧縮するのに必要な電圧及び/又はエネルギー使用量と比較して、ポンプチャンバ110を圧縮するのに必要な電圧及び/又はエネルギー使用量を低減し得る。電極構造体108、109間の電圧が高く、引き込み電圧よりも高い場合、ダイヤフラム装置180がバルブ装置120に接触し得るように、第1の電極構造体109は第2の電極構造体108に引き付けられる。ダイヤフラム装置180のバルブ装置120への固着(スティッキング)を防止するために、少なくとも1つのスティクション防止バンプ105は、第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間に配置される。例えば、図1のスティクション防止バンプ105は、入口逆止弁及び出口逆止弁を含む領域190内のダイヤフラム装置180上に配置される。しかしながら、1つ又は複数のスティクション防止バンプ105が、代替又は追加として、例えば層102及びバルブ装置120のそれぞれにおいて可変高さ形状に対向するように配置されてもよい。
Electrostatic micropump 100 is configured to operate by applying a voltage between first electrode structure 109 and second electrode structure 108 . The voltage between the electrode structures creates a force that compresses the pump chamber 110. The force depends secondarily on the distance between the first electrode structure 109 and the second electrode structure 108.
The stepped variable height configuration 107 is particularly advantageous when compared to the voltage and/or energy usage required to compress the pump chamber at a constant distance height configuration when implementing a membrane structure without pre-deflection. The voltage and/or energy usage required to compress pump chamber 110 may be reduced. If the voltage between the electrode structures 108, 109 is high and higher than the retraction voltage, the first electrode structure 109 will be attracted to the second electrode structure 108 such that the diaphragm device 180 can contact the valve device 120. It will be done. To prevent sticking of the diaphragm device 180 to the valve device 120, at least one anti-stiction bump 105 is disposed between the first electrode structure 109 and the second electrode structure 108. Ru. For example, anti-stiction bump 105 of FIG. 1 is disposed on diaphragm device 180 in region 190 that includes the inlet and outlet check valves. However, one or more anti-stiction bumps 105 may alternatively or additionally be arranged opposite the variable height shape, for example in each of the layer 102 and the valve device 120.

マイクロポンプ100の静電駆動部を作動させることによって、ダイヤフラム装置180はポンプチャンバ110を圧縮しながらバルブ装置120に向かって引き付けられる。ポンプチャンバ110の圧縮により、ポンプチャンバ110内の圧力が上昇し、出口逆止弁170の弁フラップ140が開き、流体がポンプチャンバ110から出口逆止弁170を通って環境に流出できるようになる。
第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置180は、ポンプチャンバ110を膨張させながら、その初期位置又はゼロ位置に向かって、又はその中に戻るように移動し得る。ポンプチャンバ110の膨張により、入口逆止弁160の弁フラップ140が開き、流体が環境から入口逆止弁160を通ってポンプチャンバ110に流入できるようになる。同時に、弁フラップ140によって出口トンネル130を通る流体の流れを遮断することによって、逆止弁170は出口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
By activating the electrostatic drive of the micropump 100, the diaphragm device 180 is drawn toward the valve device 120 while compressing the pump chamber 110. Compression of the pump chamber 110 increases the pressure within the pump chamber 110 and opens the valve flap 140 of the outlet check valve 170, allowing fluid to exit the pump chamber 110 through the outlet check valve 170 to the environment. .
Reducing the voltage between the first electrode structure 109 and the second electrode structure 108 causes the diaphragm device 180 to move toward its initial or zero position, while expanding the pump chamber 110. You can move back inside. Expansion of pump chamber 110 causes valve flap 140 of inlet check valve 160 to open, allowing fluid to flow from the environment through inlet check valve 160 and into pump chamber 110 . At the same time, by blocking fluid flow through the outlet tunnel 130 with the valve flap 140, the check valve 170 may block fluid flow through the outlet tunnel.

図1の静電マイクロポンプ100は、従来技術のマイクロポンプと比較していくつかの利点を有する。ポンプチャンバ110の階段状可変高さ形状107は、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較して、低い供給電圧で動作し得る。この低い供給電圧は、依然として高電圧範囲内にあるとはいえ、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較すれば低いと考えられる。この低い供給電圧により、静電マイクロポンプ100のエネルギー使用量が低減し、小型で確立された高電圧回路の使用が可能となる。
さらなる利点として、静電マイクロポンプ100を動作させることはある程度の背圧を克服し得る。背圧は、ダイヤフラム装置180の動きを妨げる。供給電圧の増加により、背圧に打ち勝つ静電圧が増加する。
空気などの非導電性流体のための静電マイクロポンプ100は圧縮比が高く、図2のマイクロポンプ200などの導電性流体のための静電マイクロポンプよりも圧縮比が高くなり得るが、これはダイヤフラム装置120の撓みがポンプチャンバ110を向いており、追加のデッドボリューム106を減少させ得るためである。
The electrostatic micropump 100 of FIG. 1 has several advantages compared to prior art micropumps. The stepped variable height configuration 107 of the pump chamber 110 may operate with a low supply voltage compared to that of prior art micropumps. This low supply voltage, although still within the high voltage range, is considered low compared to the supply voltage of prior art micropumps. This lower supply voltage reduces the energy usage of electrostatic micropump 100 and allows the use of compact, well-established high voltage circuits.
As a further advantage, operating electrostatic micropump 100 may overcome some backpressure. The back pressure prevents movement of the diaphragm device 180. Increasing the supply voltage increases the static voltage that overcomes the back pressure.
Electrostatic micropumps 100 for non-conductive fluids such as air have a high compression ratio, which can be higher than electrostatic micropumps for conductive fluids such as micropump 200 of FIG. This is because the deflection of diaphragm device 120 is directed toward pump chamber 110 and may reduce additional dead volume 106.

図2は、一実施形態による、4つの層201~204を備える静電マイクロポンプ200の概略側面図を示す。層201~204を1つの層として説明しているが、それらのうちの1つ又は複数が、同じ又は異なる材料の複数の積層によって形成されてもよい。層201~204は、例えばシリコン材料などの半導体材料を含んでもよい。層201~204は、それぞれ例えば450μm、30~90μm、10~120μm及び450μmの厚さであり、場合によっては例えば±50%、±30又は±20%の許容範囲内であってもよい。
領域295は、例えば図1との関連で説明したように、ダイシングを容易にするために使用又は生成されたトレンチ構造の跡であってもよい。
層201の主面は、図1のバルブ装置120と同様のバルブ装置220を形成するために層202の主面に取り付けられる。バルブ装置220は、層装置に配置された入口逆止弁260及び出口逆止弁270を備え、入口逆止弁260及び出口逆止弁270の入口トンネルは、図1の入口逆止弁160及び出口逆止弁170と同様に、反対方向を向いている。
FIG. 2 shows a schematic side view of an electrostatic micropump 200 with four layers 201-204, according to one embodiment. Although layers 201-204 are described as one layer, one or more of them may be formed by multiple laminates of the same or different materials. Layers 201-204 may include semiconductor materials, such as silicon materials, for example. The layers 201 to 204 have a thickness of, for example, 450 μm, 30-90 μm, 10-120 μm and 450 μm, respectively, and may optionally be within a tolerance range of, for example, ±50%, ±30 or ±20%.
Region 295 may be the remains of a trench structure used or created to facilitate dicing, for example as described in connection with FIG. 1.
The major surface of layer 201 is attached to the major surface of layer 202 to form a valve device 220 similar to valve device 120 of FIG. The valve device 220 includes an inlet check valve 260 and an outlet check valve 270 arranged in the layer device, and the inlet tunnels of the inlet check valve 260 and the outlet check valve 270 are similar to the inlet check valve 160 and the outlet check valve 270 of FIG. Like the outlet check valve 170, it faces in the opposite direction.

バルブ装置220の主面は、層203及び第1の電極構造体210を備えるダイヤフラム装置230の第1の面285に取り付けられる。バルブ装置220及びダイヤフラム装置230は、入口逆止弁260及び出口逆止弁270を備えるマイクロポンプ200の少なくとも中央領域290にポンプチャンバ207を形成するように取り付けられる。
ダイヤフラム装置230は、バルブ装置220とステータ構造体240との間に配置される。ステータ構造体は、層204と、第2の電極構造体211とを備える。層204の第1の主面245は、絶縁層205によって絶縁されている。絶縁された層204は、ダイヤフラム装置230の第2の主面288に取り付けられている。
層204の第1の面245は、入口逆止弁260、出口逆止弁270、及び階段状可変高さ形状209を少なくとも部分的に含む、マイクロポンプ200の中央領域290において、階段状可変高さ形状209と、少なくとも1つのスティクション防止バンプ208とを含む。ダイヤフラム装置230の第2の主面288及びステータ構造体240の第1の主面245は、階段状可変高さ形状209を含む領域290において電極チャンバ212を形成する。
A major surface of valve device 220 is attached to a first surface 285 of diaphragm device 230 that includes layer 203 and first electrode structure 210 . The valve device 220 and the diaphragm device 230 are mounted to form a pump chamber 207 in at least a central region 290 of the micropump 200 comprising an inlet check valve 260 and an outlet check valve 270.
Diaphragm device 230 is disposed between valve device 220 and stator structure 240. The stator structure comprises a layer 204 and a second electrode structure 211 . First main surface 245 of layer 204 is insulated by insulating layer 205 . Insulated layer 204 is attached to second major surface 288 of diaphragm device 230 .
The first surface 245 of the layer 204 has a stepped variable height configuration in a central region 290 of the micropump 200 that includes, at least in part, an inlet check valve 260, an outlet check valve 270, and a stepped variable height configuration 209. 209 and at least one anti-stiction bump 208. The second major surface 288 of the diaphragm device 230 and the first major surface 245 of the stator structure 240 form an electrode chamber 212 in a region 290 that includes the stepped variable height feature 209 .

第1の電極構造体210及び第2の電極構造体211は、ダイヤフラム装置230を撓ませるために静電駆動部を形成する。電極構造体は、図2に示すように別個の層であってもよいが、例えば、例えば金属材料若しくはドープされた半導体材料又はこれらの組合せなどの導電性材料を含むように少なくとも1つの層の材料を提供することによって実施されてもよい。
作動時、第1の電極構造体210と第2の電極構造体211との間に電圧が印加されると、ダイヤフラム装置230がステータ構造体240に向かって撓む。ステータ構造体240はダイヤフラム装置230よりも剛性が高いため、ダイヤフラム装置230が例えばステータ構造体240に向かって撓む一方でステータ構造体は撓まないと考えることができる。マイクロポンプ200が作動されると、ダイヤフラム装置230は電極チャンバ212を圧縮し、ポンプチャンバ207を膨張させる。ポンプチャンバ207の膨張により入口逆止弁260が開き、流体が環境から入口逆止弁260を通って流入できるようになる。
The first electrode structure 210 and the second electrode structure 211 form an electrostatic drive for deflecting the diaphragm device 230. The electrode structure may be a separate layer, as shown in FIG. 2, but may include at least one layer of conductive material, such as, for example, a metallic material or a doped semiconductor material or a combination thereof. This may be done by providing the material.
In operation, diaphragm device 230 deflects toward stator structure 240 when a voltage is applied between first electrode structure 210 and second electrode structure 211 . Since the stator structure 240 is more rigid than the diaphragm device 230, it can be considered that the diaphragm device 230 flexes towards the stator structure 240 while the stator structure does not. When micropump 200 is activated, diaphragm device 230 compresses electrode chamber 212 and expands pump chamber 207. Expansion of pump chamber 207 opens inlet check valve 260, allowing fluid to flow from the environment through inlet check valve 260.

第1の電極構造体210と第2の電極構造体211との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置230はその初期位置又はゼロ位置に向かって、又はそこに戻るように撓み、電極チャンバ212が膨張しポンプチャンバ207が圧縮され得る。ポンプチャンバ207の圧縮により、ポンプチャンバ207内の圧力が上昇し、出口逆止弁270が開き、流体がポンプチャンバ207から出口逆止弁270を通って環境に流出できるようになる。同時に、弁フラップで入口トンネルを遮断することによって、入口逆止弁260は、入口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
図1の高さ形状107と同様の階段状可変高さ形状209は、第1の電極構造体210と第2の電極構造体211との間の距離を減少させ、一定の距離の高さ形状を有するポンプチャンバを備えるマイクロポンプと比較してダイヤフラム装置230を撓ませるのに必要な電圧及び/又はエネルギー使用量を低減させる。
ダイヤフラム装置230のステータ構造体240への固着は、図1のスティクション防止バンプ105と同様の少なくとも1つのスティクション防止バンプ208によって防止される。スティクション防止バンプ又は追加のスティクション防止バンプ208は、層204の可変高さ形状に対向して、ダイヤフラム装置230の第2の面288に配置されてもよい。
Reducing the voltage between the first electrode structure 210 and the second electrode structure 211 causes the diaphragm device 230 to deflect toward or back to its initial or zero position, causing the electrode chamber 212 may expand and pump chamber 207 may be compressed. Compression of pump chamber 207 increases the pressure within pump chamber 207 and opens outlet check valve 270, allowing fluid to exit pump chamber 207 through outlet check valve 270 and into the environment. At the same time, by blocking the inlet tunnel with a valve flap, the inlet check valve 260 may block fluid flow through the inlet tunnel.
A stepped variable height shape 209, similar to the height shape 107 of FIG. The voltage and/or energy usage required to deflect the diaphragm device 230 is reduced compared to a micropump with a pump chamber having a diaphragm device 230.
Sticking of diaphragm device 230 to stator structure 240 is prevented by at least one anti-stiction bump 208 similar to anti-stiction bump 105 of FIG. An anti-stiction bump or additional anti-stiction bump 208 may be disposed on the second surface 288 of the diaphragm device 230 opposite the variable height shape of the layer 204.

非導電性流体を圧送するように構成された図1のマイクロポンプ100とは異なり、静電マイクロポンプ200は、流体が電極構造体に接触しないため、導電性流体と非導電性流体の両方を圧送するように構成される。図1のポンプチャンバ110は、第1の電極構造体109と第2の電極構造体108とによって形成される。ポンプチャンバ110内の導電性流体は、図1の第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間に電気的貫通を引き起こし得る。これに対して、図2では、静電マイクロポンプ200が導電性流体及び非導電性流体の両方を圧送するように構成される。第1の電極構造体210及び第2の電極構造体211は電極チャンバ212を形成し、流体はポンプチャンバ207内を流れる。ポンプチャンバ207と電極チャンバ212との間には流体接続がないため、静電マイクロポンプ200は導電性流体も圧送することができる。 Unlike the micropump 100 of FIG. 1, which is configured to pump non-conductive fluids, the electrostatic micropump 200 pumps both conductive and non-conductive fluids because the fluid does not contact the electrode structure. Configured to pump. Pump chamber 110 in FIG. 1 is formed by first electrode structure 109 and second electrode structure 108. Pump chamber 110 in FIG. The conductive fluid within pump chamber 110 may cause electrical penetration between first electrode structure 109 and second electrode structure 108 of FIG. In contrast, in FIG. 2, electrostatic micropump 200 is configured to pump both conductive and non-conductive fluids. The first electrode structure 210 and the second electrode structure 211 form an electrode chamber 212 and fluid flows within the pump chamber 207 . Because there is no fluid connection between pump chamber 207 and electrode chamber 212, electrostatic micropump 200 can also pump electrically conductive fluid.

さらなる実施形態で説明するように、必要な供給電圧及び/又はエネルギー使用量は、電極チャンバ212を環境と流体接続して電極チャンバ212内の圧力補償を可能にする通気口によってさらに低減され得る。
静電マイクロポンプは、気泡耐性がある場合は合理的になり得るし、ウェハレベルで完全に製造することができ、短絡のリスクなしに電気的に接続することができる。ダイヤフラムを備える静電マイクロポンプは、圧電駆動マイクロポンプと同様に実際の使用に適しているが、圧電マイクロポンプと比較していくつかの追加の利点を持つ。
例えば、静電ダイヤフラムを有する静電マイクロポンプは、エネルギー消費が低い。ダイヤフラムを有する静電駆動マイクロポンプの電荷容量(capacity to be charged)は、圧電駆動マイクロポンプの電荷容量よりも約1オーダー小さくてもよい。
As described in further embodiments, the required supply voltage and/or energy usage may be further reduced by a vent that fluidly connects the electrode chamber 212 with the environment to allow pressure compensation within the electrode chamber 212.
Electrostatic micropumps can be reasonable if they are bubble-resistant, can be manufactured entirely at wafer level, and can be electrically connected without risk of short circuits. Electrostatic micropumps with diaphragms are equally suitable for practical use as piezoelectrically driven micropumps, but have some additional advantages compared to piezoelectric micropumps.
For example, electrostatic micropumps with electrostatic diaphragms have low energy consumption. The capacity to be charged of an electrostatically driven micropump with a diaphragm may be about an order of magnitude smaller than that of a piezoelectrically driven micropump.

同等の層材料で組み立てられ、圧電セラミック駆動部によって駆動されるマイクロポンプと比較すると、実施形態は、静電駆動部がシリコン駆動部などの半導体駆動部の場合は温度膨張を1つだけ有するが、圧電セラミック駆動装置の場合は追加の温度膨張を有さないため、温度安定性がより高いポンプが可能となる。
本開示の主題は、静電駆動部の電界力が温度によって変化しないため、圧電セラミック駆動部と比較して温度への付随性がより高いことである。対照的に、圧電セラミックの分極は、キュリー温度に達するとなくなる。
本開示の主題は、静電駆動部が、欠陥のある多結晶圧電セラミック及び接着剤とは対照的に例えば理想的には弾性単結晶シリコンを含むため、機械的抵抗がより高いことである。
圧電セラミック駆動部によって駆動されるマイクロポンプと比較すると、本出願の主題は、静電駆動部がフロントエンド製造プラントのMEMS標準プロセスによって製造することが可能なため、製造が容易なことである。
本出願の主題は、静電駆動部及び電極表面の物理的原理が独立して、有利には短い距離でスケーリングできるため、小型化が可能なことである。
本出願の主題は、静電駆動部の製造のプロセスステップがほとんどなくかつ/又はサプライチェーン参加者がほとんどいないため、サプライチェーンコストが低く、経済的なことである。
図1及び図2のマイクロポンプの実施形態を紹介した後、以下の図を参照して、マイクロポンプの実施形態の製造ステップを説明する。
Compared to micropumps assembled with comparable layer materials and driven by piezoceramic drives, embodiments have only one temperature expansion when the electrostatic drive is a semiconductor drive, such as a silicon drive. In the case of piezoceramic drives, there is no additional temperature expansion, which allows a pump with higher temperature stability.
The subject matter of the present disclosure is that the electric field force of an electrostatic drive does not vary with temperature and therefore is more temperature sensitive compared to a piezoceramic drive. In contrast, the polarization of piezoelectric ceramics disappears once the Curie temperature is reached.
The subject matter of the present disclosure is that the electrostatic drive has a higher mechanical resistance, since it comprises, for example, ideally elastic monocrystalline silicon, as opposed to defective polycrystalline piezoceramics and adhesives.
Compared to micropumps driven by piezoceramic drives, the subject of the present application is that electrostatic drives are easy to manufacture, since they can be manufactured by MEMS standard processes in front-end manufacturing plants.
The subject matter of the present application is that miniaturization is possible because the physical principles of the electrostatic drive and the electrode surface can be scaled independently and advantageously over short distances.
The subject matter of the present application is low supply chain costs and economy, as the manufacturing of electrostatic drives has few process steps and/or few supply chain participants.
After introducing the micropump embodiment of FIGS. 1 and 2, manufacturing steps of the micropump embodiment will be described with reference to the following figures.

図3は、図2のマイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態の第1のステップによって得られた第1の層及び第2の層の概略側面図を示す。第1のステップは、第1の層301及び第2の層302を提供することである。第1のステップ、第2のステップなどの用語は、必ずしも最初のステップを示すものではなく、ステップを区別するために使用される。同様に、このような表現によってステップの順序は必ずしも限定されない。
第1の層301は、図2のダイヤフラム装置230と同様のダイヤフラム装置になり、第2の層302は、図2のステータ構造体240と同様のステータ構造体になり得る。
例えば、両方の層は、理想的には研磨された単結晶シリコンで作られたウェハの一部であってもよく、Xは所与の層の研磨された表面を表す。シリコンウェハと同様に、両方のウェハは、表303に示すようにP+又はN+ドープされてもよい。したがって、両方の層がN+又はP+ドープされてもよく、又は第1の層がN+ドープ、第2の層がP+ドープされてもよい。
両方のウェハは、例えば、例えば750μmの厚さ及び例えば0.001~0.1オームセンチメートルの抵抗率を有する片面研磨(SSP)8インチの高濃度にドープされたウェハであってもよい。エッチングプロセスなどのさらなるプロセスのための調整マーキング又は接合マーキングなどのマーキングが、ウェハの研磨面に適用されてもよい。
FIG. 3 shows a schematic side view of a first layer and a second layer obtained by a first step of an embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as micropump 200 of FIG. 2. FIG. The first step is to provide a first layer 301 and a second layer 302. Terms such as first step, second step, etc. do not necessarily refer to a first step, but are used to distinguish between steps. Similarly, such representation does not necessarily limit the order of steps.
The first layer 301 may be a diaphragm device similar to diaphragm device 230 of FIG. 2, and the second layer 302 may be a stator structure similar to stator structure 240 of FIG.
For example, both layers may be part of a wafer, ideally made of polished single crystal silicon, where X represents the polished surface of the given layer. Similar to silicon wafers, both wafers may be P+ or N+ doped as shown in Table 303. Thus, both layers may be N+ or P+ doped, or the first layer may be N+ doped and the second layer P+ doped.
Both wafers may be, for example, single side polished (SSP) 8 inch heavily doped wafers with a thickness of eg 750 μm and a resistivity of eg 0.001 to 0.1 ohm centimeters. Markings such as conditioning markings or bonding markings for further processes such as etching processes may be applied to the polished surface of the wafer.

図4は、図2のマイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第2の層302を最初にエッチングすることによって得られ得る第2の層302の概略側面図を示す。図4は、研磨された主面において第2の層302をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスクの上面図をさらに示す。
第2の層は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域405において、例えば、円形のポンプチャンバ又はその中の段差を生成するために円形形状を有し得るマスク420を使用して、例えば約3μmの深さでエッチングされる。エッチングの深さ及び/又はマスクの形状は、ウェハ属性及び/又はポンプ要件などによって異なり得る。エッチングされた領域405は、図2の階段状可変高さ形状209と同様の階段状可変高さ形状の第1のステップとなる。
FIG. 4 is a schematic side view of a second layer 302 that may be obtained by first etching the second layer 302, according to one embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as the micropump 200 of FIG. shows. FIG. 4 further shows a top view of an etch mask configured to be used to etch the second layer 302 at the polished major surface.
The second layer may have a circular shape, for example to create a circular pump chamber or a step therein, in the area 405 of the wafer intended to be the central area of the micropumps that are later diced. A mask 420 is used to etch to a depth of approximately 3 μm, for example. Etch depth and/or mask shape may vary depending on wafer attributes, pumping requirements, etc. Etched region 405 becomes the first step of a stepped variable height shape similar to stepped variable height shape 209 of FIG.

図5は、図2のマイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第2の層302を2回目にエッチングすることによって得られ得る第2の層302の概略側面図を示す。図5は、第2の層302を2回目にエッチングするのに使用されるように構成された様々なエッチングマスク510、520、530、540の上面図をさらに示す。
図4の第2の層302は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域505において、例えば、図4のマスク420の形状と同様の形状、例えば円形形状を有するマスク510を使用して、研磨された主面上で、約3μmの深さで再びエッチングされる。エッチングされた領域505及び/又はマスク510は、図4の中央領域405及び/又はマスク420とは直径が異なる。エッチングされた領域505は、エッチングされた領域405と共に、図2の階段状可変高さ形状209と同様の階段状可変高さ形状560を形成する。
FIG. 5 shows a schematic side view of a second layer 302 that may be obtained by etching the second layer 302 a second time, according to one embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as the micropump 200 of FIG. Show the diagram. FIG. 5 further shows top views of various etch masks 510, 520, 530, 540 configured to be used to etch the second layer 302 a second time.
The second layer 302 of FIG. 4 has a shape, e.g. a circular shape, similar to the shape of the mask 420 of FIG. A mask 510 is etched again on the polished main surface to a depth of approximately 3 μm. Etched region 505 and/or mask 510 has a different diameter than central region 405 and/or mask 420 of FIG. Etched region 505, together with etched region 405, forms a stepped variable height shape 560 similar to stepped variable height shape 209 of FIG.

あるいは、第2の層302は、マスク520、マスク530又はマスク540によって研磨された主面上でエッチングされてもよい。マスク520、530及び540は、通気口550を有する円形チャンバをエッチング又は形成するように構成されている点で同様である。通気口550は、電極チャンバを静電マイクロポンプの環境と接続するように構成される。
エッチングマスク520及び530は、通気口の異なる角度の例を示している。エッチングマスク540は、1よりも多い例えば4つのマイクロポンプを形成するために、それぞれの通気口550を有する、1よりも多い例えば4つの電極チャンバをエッチングするように構成される。エッチングプロセスは、SPTS非スイッチングプロセス管理を使用してもよい。エッチングされるチャンバの深さは、ウェハごとに異なり得る。
Alternatively, second layer 302 may be etched on the polished main surface by mask 520, mask 530, or mask 540. Masks 520, 530, and 540 are similar in that they are configured to etch or form a circular chamber with a vent 550. Vent 550 is configured to connect the electrode chamber with the environment of the electrostatic micropump.
Etch masks 520 and 530 show examples of different angles of the vents. Etching mask 540 is configured to etch more than one, eg, four, electrode chambers with respective vents 550 to form more than one, eg, four, micropumps. The etch process may use SPTS non-switching process management. The depth of the etched chamber may vary from wafer to wafer.

図6は、図2の静電マイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第1の層301及び第2の層302を酸化することによって得られ得る絶縁された第1の層301及び絶縁された第2の層302の概略側面図を示す。
第1の層301及びエッチングされた第2の層302の両方の層が酸化され、それらの両方の主面に酸化物層が形成される。酸化物層の目標厚さは例えば400nmであり、これにより2つの電極構造体間の絶縁層として作用し、例えば200V未満の電圧値で電極構造体間の電気的貫通を防止する。酸化プロセスにより、図2の絶縁酸化物層205と同様の絶縁酸化物層610が層302及び301の主面の両側に形成される。
FIG. 6 shows an insulated micropump that can be obtained by oxidizing a first layer 301 and a second layer 302, according to one embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as the electrostatic micropump 200 of FIG. A schematic side view of a first layer 301 and an insulated second layer 302 is shown.
Both the first layer 301 and the etched second layer 302 are oxidized to form an oxide layer on their both major surfaces. The target thickness of the oxide layer is, for example, 400 nm, so that it acts as an insulating layer between the two electrode structures and prevents electrical penetration between them, for example at voltage values below 200V. The oxidation process forms an insulating oxide layer 610 similar to insulating oxide layer 205 of FIG. 2 on both sides of the major surfaces of layers 302 and 301.

図7は、図2の静電マイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、エッチングされた第2の層302の可変高さ形状560上で絶縁酸化物層610にスティクション防止バンプ708をエッチングすることによって得られ得るスティクション防止バンプ708を有する絶縁された第2の層302の概略側面図を示す。
図7は、スティクション防止バンプ708をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスク710の上面図をさらに示す。スティクション防止バンプ708をエッチングするのに使用されるエッチングマスク710は、ドットパターン730を有する円形形状720を備える。
スティクション防止バンプ708は、KOHを使用するドライエッチングプロセス又はウェットエッチングプロセスによって、非常に小さい目標深さ(例えば20nm~200nmの間。スティクション防止ポンプ708の目標直径は、例えば20μm)でエッチングされてもよい。スティクション防止バンプ708は、図2のスティクション防止バンプ208と同様である。
FIG. 7 shows an insulating oxide layer 610 over the variable height feature 560 of the etched second layer 302, according to one embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as the electrostatic micropump 200 of FIG. FIG. 3 shows a schematic side view of an insulated second layer 302 with anti-stiction bumps 708 that can be obtained by etching anti-stiction bumps 708. FIG.
FIG. 7 further shows a top view of an etch mask 710 configured to be used to etch anti-stiction bumps 708. The etch mask 710 used to etch the anti-stiction bump 708 comprises a circular shape 720 with a dot pattern 730.
The anti-stiction bumps 708 are etched by a dry or wet etching process using KOH to a very small target depth (e.g. between 20 nm and 200 nm; the target diameter of the anti-stiction pump 708 is e.g. 20 μm). It's okay. Anti-stiction bump 708 is similar to anti-stiction bump 208 of FIG.

図8は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第1の層301のフレーム領域830をエッチング除去したときに得られ得る絶縁された第1の層301の概略側面図を示す。例えば、フレーム形状820を有するエッチングマスク810を使用することによって、第1の層301の研磨された表面上の例えば36μmの深さのフレーム領域830がエッチング除去される。
第1の層301のフレーム領域830をエッチング除去又は薄くすることにより、第1の層をダイシングプロセスに向けて準備する。例えば、ダイシング・バイ・シンニング・プロセスのドライエッチングプロセスにより、36μm程度の深さをエッチングしてもよい。
さらに、フレーム領域830は、隣接するダイヤフラム装置間に絶縁間隙を提供し、製造プロセスにおいてマイクロポンプをウェハレベルで試験できるようにする。
FIG. 8 illustrates an insulated first layer 301 that can be obtained when the frame region 830 of the insulated first layer 301 is etched away, according to one embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. 3 shows a schematic side view of a layer 301 of FIG. For example, by using an etch mask 810 having a frame shape 820, a frame region 830, for example 36 μm deep, on the polished surface of the first layer 301 is etched away.
The first layer is prepared for a dicing process by etching away or thinning the frame region 830 of the first layer 301. For example, etching may be performed to a depth of about 36 μm using a dry etching process such as a dicing-by-thinning process.
Additionally, frame region 830 provides an insulating gap between adjacent diaphragm devices, allowing micropumps to be tested at wafer level during the manufacturing process.

図9a及び図9bは、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第1の層301を絶縁された第2の層302に取り付けたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図を示す。図9aは、チップレベル910のアクチュエータ装置の概略側面図を示し、図9bは、ウェハレベル940の複数のアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
第2の層302の階段状高さ形状560及びスティクション防止バンプ708を有する主表面は、第1の層301のエッチングされた主表面に取り付けられる。第1及び第2の層301、302は、例えば1050℃のウェハ接合を例えば4時間行うことにより取り付けられる。第1及び第2の層301、302は、図2の電極チャンバ212と同様の電極チャンバ930を形成する。
第1の層301及び第2の層302は、アクチュエータ装置920を形成するために互いに接合される。2つの層301、302は、ウェハレベル940で互いに接合され、個々のチップ910はまだダイシングされていない。
アクチュエータ装置920は、その主面の両方に絶縁酸化物層610を備えてもよい。
9a and 9b illustrate the results obtained when attaching an insulated first layer 301 to an insulated second layer 302 according to one embodiment for manufacturing a micropump, such as micropump 200 of FIG. 2 shows a schematic side view of an actuator device that can be used. 9a shows a schematic side view of an actuator device at chip level 910, and FIG. 9b shows a schematic side view of a plurality of actuator devices at wafer level 940.
The major surface of the second layer 302 having the stepped height feature 560 and the anti-stiction bumps 708 is attached to the etched major surface of the first layer 301 . The first and second layers 301, 302 are attached by, for example, wafer bonding at 1050° C. for, for example, 4 hours. The first and second layers 301, 302 form an electrode chamber 930 similar to electrode chamber 212 of FIG.
First layer 301 and second layer 302 are joined together to form actuator device 920. The two layers 301, 302 are bonded together at wafer level 940, and the individual chips 910 have not yet been diced.
Actuator device 920 may include an insulating oxide layer 610 on both of its major surfaces.

図10は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置930の主面から絶縁層610を除去することによって得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
酸化物層の除去は、HF-Dipなどの湿式化学プロセスによって行われてもよい。アクチュエータ装置920の主面の絶縁層を除去することにより、第1の層及び/又は第2の層301、302との電気的接触を形成することができる。
FIG. 10 shows a schematic side view of an actuator device that can be obtained by removing the insulating layer 610 from the main surface of the actuator device 930, according to an embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. .
Removal of the oxide layer may be performed by a wet chemical process such as HF-Dip. By removing the insulating layer on the main surface of the actuator device 920, electrical contact can be made with the first layer and/or the second layer 301, 302.

図11は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置920の第1の層301を薄くしたときに得られ得るアクチュエータ装置930の概略側面図を示す。第1の層301からダイヤフラムを形成するために、すなわち、層301を撓み可能にし、かつ、撓んだときに破損しないように機械的に十分に安定させるために、第1の層301の厚さを減少させる。例えば、第1の層301は、例えば750μmから例えば30μmまで薄くしてもよい。
例えば、薄くするプロセスは、第1の層301を750μmから100μmまで研削し、次いで化学機械研磨(CMP)を適用して例えば50μmの厚さに到達させることによって行われてもよい。残りの例えば20μmは、ドライエッチングによってエッチング除去され得る。第1の層301は、厚さが図2のダイヤフラム装置230と同じ範囲にあるダイヤフラムとなる。
第1の層301から形成されたダイヤフラムが非導電性ダイヤフラムである場合、ダイヤフラム上への電極構造体の堆積が推奨される。
FIG. 11 shows a schematic side view of an actuator device 930 that can be obtained when the first layer 301 of the actuator device 920 is thinned, according to an embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. . The thickness of the first layer 301 is determined in order to form a diaphragm from the first layer 301, i.e. to make the layer 301 deflectable and mechanically stable enough to avoid breakage when deflected. decrease the For example, the first layer 301 may be as thin as, for example, 750 μm to, for example, 30 μm.
For example, the thinning process may be performed by grinding the first layer 301 from 750 μm to 100 μm and then applying chemical mechanical polishing (CMP) to reach a thickness of, for example, 50 μm. The remaining 20 μm, for example, can be etched away by dry etching. First layer 301 is a diaphragm having a thickness in the same range as diaphragm device 230 of FIG.
If the diaphragm formed from the first layer 301 is a non-conductive diaphragm, deposition of an electrode structure on the diaphragm is recommended.

図12は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置920の第1の層301を有する主面上に導電性材料1210を堆積させることによって得られ得るアクチュエータ装置920の概略側面図を示す。
堆積は、例えば、アクチュエータ装置920の第1の層301から形成されたダイヤフラムを有する表面上に、アルミニウムなどの導電性材料1210をスパッタリングすることによって行ってもよい。導電性材料1210は、図2のダイヤフラム装置230の第2の電極構造体210として作用してもよい。
スパッタリングプロセスは、第1の層301から形成されたダイヤフラムの真上だけではなく、アクチュエータ装置920の表面全体に導電性材料1210を堆積させ得るため、図13に示すように、ダイヤフラム間の導電性材料1210を除去することが好ましい。
12 is obtained by depositing a conductive material 1210 on the main surface with the first layer 301 of the actuator device 920, according to an embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. 9 shows a schematic side view of an actuator device 920 obtained.
Deposition may be performed, for example, by sputtering a conductive material 1210, such as aluminum, onto the surface with the diaphragm formed from the first layer 301 of the actuator device 920. Conductive material 1210 may act as second electrode structure 210 of diaphragm device 230 of FIG.
The sputtering process may deposit the conductive material 1210 over the entire surface of the actuator device 920, rather than just directly over the diaphragm formed from the first layer 301, thereby increasing the conductivity between the diaphragms, as shown in FIG. Preferably, material 1210 is removed.

図13は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、ダイヤフラムを含まないマイクロポンプの周辺領域から導電性材料を除去することによって得ることができるアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域、すなわち第1の層301から形成されたダイヤフラムの間から導電性材料1210を除去することは、隣接するダイヤフラムからダイヤフラムを絶縁することである。導電性材料の除去は、スプレーコーティング及び湿式化学エッチングによって行ってもよい。
第1の層301及び導電層1210は、層203及び第2の電極構造体210によって形成された図2のダイヤフラム装置230と同様のダイヤフラム装置1310を形成する。
ダイヤフラム装置1310は隣接するダイヤフラム装置1310から絶縁されてもよく、これにより、図14に示すようにウェハ試験装置1400におけるウェハレベルでの試験が可能となる。例えば、跡195及び/又は295となり得るトレンチを形成してもよい。
FIG. 13 is a schematic of an actuator device that can be obtained by removing conductive material from the peripheral region of a micropump without a diaphragm, according to one embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. A side view is shown.
Removing the conductive material 1210 from the peripheral area of the micropump that is subsequently diced, ie between the diaphragms formed from the first layer 301, is to insulate the diaphragms from adjacent diaphragms. Removal of conductive material may be accomplished by spray coating and wet chemical etching.
First layer 301 and conductive layer 1210 form a diaphragm device 1310 similar to diaphragm device 230 of FIG. 2 formed by layer 203 and second electrode structure 210.
Diaphragm device 1310 may be isolated from adjacent diaphragm devices 1310, allowing for wafer level testing in wafer test apparatus 1400, as shown in FIG. For example, trenches may be formed that can become traces 195 and/or 295.

図14は、アクチュエータ装置920をウェハレベルで試験するように構成された、ウェハ試験装置1400の概略側面図を示す。試験装置1400は、試験中にアクチュエータ装置920を保持するように構成されたチャック1450を備える。試験装置1400は、アクチュエータ装置920を試験するように構成されたプローブ1420又はウェハプローブをさらに備える。
試験は、アクチュエータ装置920の第2の層302をチャック1450に取り付けることを含み、アクチュエータ装置920は、第2の層302のウェハ及び複数のダイヤフラム装置1310を備える。
試験は、プローブ1420をダイヤフラム装置1310上に1つずつ配置することと、アクチュエータ装置920又はダイヤフラム装置1310に試験電圧を印加することによってアクチュエータ装置920を試験又はプロービングすることとをさらに含む。
ダイヤフラム装置1310は、ダイヤフラム装置1310を含まず、後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域で絶縁間隙1480によって隣接するダイヤフラム装置1310から絶縁される。
FIG. 14 shows a schematic side view of a wafer testing apparatus 1400 configured to test actuator apparatus 920 at the wafer level. Test apparatus 1400 includes a chuck 1450 configured to hold actuator device 920 during testing. Test apparatus 1400 further includes a probe 1420 or wafer probe configured to test actuator apparatus 920.
Testing includes attaching the second layer 302 of the actuator device 920 to the chuck 1450, the actuator device 920 comprising the wafer of the second layer 302 and the plurality of diaphragm devices 1310.
Testing further includes placing probes 1420 one by one on diaphragm devices 1310 and testing or probing actuator devices 920 by applying a test voltage to actuator devices 920 or diaphragm devices 1310.
The diaphragm device 1310 does not include the diaphragm device 1310 and is insulated from the adjacent diaphragm device 1310 by an insulating gap 1480 in the peripheral area of the micropump that is later diced.

側壁絶縁部又は絶縁間隙1480は、本発明のマイクロポンプの本質的な特徴と考えることができる。側壁絶縁部は、2つの電極表面の間の絶縁部及び/又は少なくとも1つの電極表面の周りのフレームであり、分離部のエッチング及び酸化などの後続の層変換によって、並びに/又はPECVD、PVDなどの物理的及び/若しくは化学的プロセスを使用して絶縁層を堆積することによって生成される。
アクチュエータ又はダイヤフラム装置1310の絶縁及び分離は、製造プロセスを高速化するという利点を有し、ウェハレベルベースの測定による試験を可能にする。
静電マイクロポンプは、隣接するダイヤフラム装置1310から絶縁を行わない既知のマイクロポンプとは異なる。マイクロポンプ100などの本実施形態では、隣接するダイヤフラム装置1310からの絶縁が実施される。隣接するダイヤフラム装置1310からの絶縁は、図2のマイクロポンプ200などの導電性液体用のマイクロポンプの製造において、わずかに変更された形態で実施することもできる。
アクチュエータ装置920の上述の製造は、アクチュエータ装置920のいわゆる短ループ変形例を生成するものである。あるいは、アクチュエータ装置920の全ループ変形例もある。全ループ変形例の製造の一部を図15a~図15cに示す。
The sidewall insulation or insulation gap 1480 can be considered an essential feature of the micropump of the present invention. Sidewall insulation is an insulation between two electrode surfaces and/or a frame around at least one electrode surface, which can be formed by subsequent layer transformations such as etching and oxidation of the separation and/or by PECVD, PVD, etc. is produced by depositing an insulating layer using physical and/or chemical processes.
Isolation and isolation of the actuator or diaphragm device 1310 has the advantage of speeding up the manufacturing process and allows testing with wafer level based measurements.
Electrostatic micropumps differ from known micropumps that do not provide isolation from adjacent diaphragm devices 1310. In this embodiment, such as micropump 100, isolation from adjacent diaphragm devices 1310 is implemented. Isolation from adjacent diaphragm devices 1310 can also be implemented in a slightly modified form in the manufacture of micropumps for conductive liquids, such as micropump 200 in FIG.
The above-described manufacturing of the actuator device 920 produces a so-called short-loop variant of the actuator device 920. Alternatively, there are full loop variations of actuator device 920. A portion of the fabrication of the full loop variant is shown in Figures 15a-15c.

図15aは、階段状高さ形状560とスティクション防止バンプ708とを有する第2の層302の主面を第1の層301に取り付けることによって形成されたアクチュエータ装置920の概略側面図を示す。第2の層302は、図15aに示すように既にダイシングされていてもよいし、図15bに示すように、薄くしたフレーム領域によってダイシングに向けて準備されていてもよい。 FIG. 15a shows a schematic side view of an actuator device 920 formed by attaching a major surface of the second layer 302 with a stepped height shape 560 and an anti-stiction bump 708 to the first layer 301. The second layer 302 may already be diced, as shown in FIG. 15a, or prepared for dicing by thinned frame regions, as shown in FIG. 15b.

図15bは、アクチュエータ装置920の全ループ変形例の概略側面図を示し、第1の層301は全領域で薄くされ、階段状高さ形状560の領域1510でさらに薄くされている。第1の層301は導電性材料を含んでもよい。エッチング1510は、電圧が印加されずダイヤフラムが圧力平衡される場合のポンプチャンバ高さを画定する。マイクロポンプの良好な圧縮比を達成し、ポンプが気泡耐性を持てるようにするために、このポンプチャンバ高さは非常に小さく選択されるべきである。この高さ(1510の深さ)は、静電マイクロポンプの重要な設計パラメータと考えることができる。高い気泡耐性又は高いガス背圧が要求される場合、このポンプチャンバ高さは非常に小さく(ドライエッチング又はKOHエッチングなどのエッチング技術に応じて)選択することができる。例えば、50ナノメートル~1μmである。
ポンプチャンバの高さが低いときの欠点は、ポンプチャンバ内の流体抵抗が高くなることである。そのために、流体(液体又は気体)に高い流量が要求される場合、ポンプチャンバ高さ1510はアクチュエータストロークに応じて1μmから最大20μmまで選択することができる。ポンプチャンバが高いほど流体抵抗は小さくなり、ポンプ速度は高くなるが、圧縮比と気泡耐性は低下する。
FIG. 15b shows a schematic side view of a full loop variant of the actuator device 920, in which the first layer 301 is thinned in all areas and further thinned in areas 1510 of the stepped height shape 560. First layer 301 may include a conductive material. Etching 1510 defines the pump chamber height when no voltage is applied and the diaphragm is pressure balanced. In order to achieve a good compression ratio of the micropump and to make the pump bubble-resistant, this pump chamber height should be chosen very small. This height (1510 depth) can be considered an important design parameter for electrostatic micropumps. If high bubble resistance or high gas backpressure is required, this pump chamber height can be chosen very small (depending on the etching technique, such as dry etching or KOH etching). For example, from 50 nanometers to 1 μm.
A disadvantage when the height of the pump chamber is low is that the fluid resistance within the pump chamber is high. Therefore, if a high flow rate of the fluid (liquid or gas) is required, the pump chamber height 1510 can be selected from 1 μm up to 20 μm depending on the actuator stroke. The higher the pump chamber, the lower the fluid resistance and the higher the pump speed, but the compression ratio and bubble resistance will be lower.

図15cはマイクロポンプ1570の概略側面図を示す。図2のマイクロポンプ200と同様のマイクロポンプ1570を製造することは、バルブ装置1550をアクチュエータ装置920に取り付けることによって得られる。マイクロポンプ1570のポンプチャンバ1580は、二重エッチングされた領域1510及びバルブ装置1550によって形成される。
短ループ変形例と全ループ変形例との間のいくつかの違いを認識することができる。短ループ変形例では、層301から生成されたダイヤフラムが隣接するダイヤフラムからダイシングされ、かつ/又は絶縁されるが、全ループ変形例では、ステータ構造体が隣接するステータ構造体からダイシングされ、かつ/又は絶縁される。
さらに、全ループ変形例では、ポンプチャンバ1580は第1の層301にエッチングされるが、ショートループ変形例ではそうする必要はなく、ポンプチャンバはダイヤフラム装置及びバルブ装置によって形成される。
さらに、全ループ変形例では、アクチュエータ装置920をバルブ装置に取り付け、例えば接合するが、短ループ変形例ではそうする必要はない。
FIG. 15c shows a schematic side view of a micropump 1570. Manufacturing a micropump 1570 similar to the micropump 200 of FIG. 2 is obtained by attaching the valve device 1550 to the actuator device 920. Pump chamber 1580 of micropump 1570 is formed by double etched region 1510 and valve device 1550.
Several differences between the short-loop and full-loop variants can be recognized. In the short loop variant, the diaphragms produced from layer 301 are diced and/or insulated from adjacent diaphragms, while in the full loop variant, the stator structures are diced and/or insulated from adjacent stator structures. or insulated.
Furthermore, in the full-loop variant, the pump chamber 1580 is etched into the first layer 301, whereas in the short-loop variant this need not be the case, and the pump chamber is formed by a diaphragm device and a valve device.
Furthermore, while in the full-loop variant the actuator device 920 is attached to, eg, joined to, the valve device, this need not be the case in the short-loop variant.

図16は、静電駆動マイクロポンプ設計のシミュレートされた可能な実装形態の表を示す。例示的なシミュレートされた実施形態は本発明を限定するものではなく、静電駆動マイクロポンプは膨大な範囲のチップサイズで製造することができる。図16は、10×10mmから1×1mmまでの異なるチップサイズのシミュレーション結果を示す。ポンプチャンバ及び作動チャンバは円形であり、正方形のチップ縁部までの最小距離は100μmである。結果は二次的なチップサイズに関連して説明されているが、チップはその側面でアスペクト比が異なっていてもよく、例えば1:1とは異なり、例えば長方形形状であってもよい。あるいは、楕円形若しくは円形又はそれらとは異なる任意の他の形状が実施されてもよい。
静電駆動マイクロポンプ設計の重要な属性の可能な値を以下に列挙する。

Figure 2023544088000002
FIG. 16 shows a table of simulated possible implementations of electrostatically driven micropump designs. The exemplary simulated embodiments are not intended to limit the invention; electrostatically actuated micropumps can be manufactured in a vast range of chip sizes. Figure 16 shows simulation results for different chip sizes from 10 x 10 mm2 to 1 x 1 mm2 . The pump and actuation chambers are circular and the minimum distance to the square chip edge is 100 μm. Although the results are described in relation to quadratic chip sizes, the chips may have different aspect ratios on their sides, e.g. different from 1:1, e.g. rectangular in shape. Alternatively, an oval or circular shape or any other shape different thereto may be implemented.
Possible values for important attributes of an electrostatically actuated micropump design are listed below.

Figure 2023544088000002

バルブユニットのデッドボリュームを計算するために、(KOHエッチングされた)確立された圧電マイクロポンプのデータを使用した。3×3mm未満のチップサイズについては、デッドボリュームが小さいドライエッチングされた弁を想定した。
このシミュレーションでは、設計の直径及び厚さは、約30~53kPaのブロッキング圧力を有するように適合された。スイッチング電圧及びブロッキング圧力は、Fraunhofer EMFTで既に実現されている基準設計と比較された。作動間隙チャンバの高さはすべての設計について5μmが選択されており、スイッチング電圧及び行程容積を増減させることでより高い又はより低い値に変動させることができる。
シミュレーションの1つの関連する結果は、圧縮比及び作動ダイヤフラムの剛性によってポンプが達成できる最小及び最大空気圧である。この理論は、静電駆動ポンプのこのシミュレーションにおいて適合されている。バルブの毛細管圧を考慮すると、気泡耐性マイクロポンプは、10kPa近く又は10kPaを超える空気背圧を有するべきであると推定することができる。これにより、上記の表によれば、1.5×1.5mmまでのチップサイズを有し、液体及び気体を圧送するだけでなく気泡耐性もある静電作動マイクロポンプを実現できると結論付けることができる。最適化された作動チャンバ(シミュレーションではまだ実装されていない)を用いれば、この目標は1×1mmの設計でも達成され得る。
Data from an established piezoelectric micropump (KOH etched) was used to calculate the dead volume of the valve unit. For chip sizes less than 3 × 3 mm 2 , dry-etched valves with small dead volume were assumed.
In this simulation, the design diameter and thickness were adapted to have a blocking pressure of approximately 30-53 kPa. The switching voltages and blocking pressures were compared to a reference design already implemented in the Fraunhofer EMFT. The working gap chamber height was chosen to be 5 μm for all designs and can be varied to higher or lower values by increasing or decreasing the switching voltage and stroke volume.
One relevant result of the simulation is the minimum and maximum air pressure that the pump can achieve depending on the compression ratio and the stiffness of the working diaphragm. This theory has been adapted in this simulation of an electrostatically driven pump. Considering the capillary pressure of the valve, it can be estimated that a bubble-resistant micropump should have an air backpressure close to or above 10 kPa. This concludes that, according to the table above, it is possible to realize electrostatically actuated micropumps with chip sizes up to 1.5 x 1.5 mm2 , which are not only capable of pumping liquids and gases but also bubble-resistant. be able to. With an optimized working chamber (not yet implemented in simulations), this goal can be achieved even in a 1 × 1 mm 2 design.

チップサイズが2×2mm以下の静電マイクロポンプは、例えば使い捨てのラボ・オン・チップシステム又はスマート電子薬物ピルに使用できる低コストで持続可能かつ使い捨ての装置に向けた大きなステップである。
・低コスト:8インチウェハでは8000個近くの2×2mmポンプが実現でき、これにより、例えば週当たり100個を超えるウェハのスタートといった非常に大量での製造コストが10セントを下回り、安価で有利となる。また、圧電素子が使用されないので、このポンプにはピック&プレースや接着が必要でなくなる。
・持続可能な使い捨て装置:シリコン層のスタックのみからなるシリコンマイクロポンプは、圧電PZTの鉛のような有毒物質を全く含まない。シリコン及び酸化ケイ素は、砂と同じ材料と、その上の金又はアルミニウムのような非常に薄い金属層とからなる。これにより、この装置を廃棄物にすることは問題なく、完全に持続可能な構成要素となる。
Electrostatic micropumps with chip sizes of 2×2 mm 2 or less are a major step towards low-cost, sustainable, and disposable devices that can be used, for example, in disposable lab-on-a-chip systems or smart electronic drug pills.
- Low cost: nearly 8,000 2x2mm 2 pumps can be achieved for 8-inch wafers, making production costs less than 10 cents at very high volumes, e.g. starting over 100 wafers per week. It will be advantageous. Additionally, because no piezoelectric elements are used, the pump does not require pick-and-place or gluing.
- Sustainable disposable device: The silicon micropump, consisting only of a stack of silicon layers, does not contain any toxic substances such as lead in piezoelectric PZT. Silicon and silicon oxide consist of the same material as sand and a very thin layer of metal, such as gold or aluminum, on top. This makes it a completely sustainable component, with no problem disposing of the device as waste.

図17は、通気口1720を有する、図2のマイクロポンプ200と同様のマイクロポンプ1700の概略側面図を示す。マイクロポンプは、バルブ装置1760と、ダイヤフラム装置1710と、ステータ構造体1740とを備える。バルブ装置1760の主面はダイヤフラム装置1710の主面に取り付けられ、ポンプチャンバ1730を形成する。ポンプチャンバに対向するダイヤフラム装置の主面はステータ構造体1740に取り付けられる。ステータ構造体は、階段状可変高さ形状1780と、通気口1720とを備える。ダイヤフラム装置1710は、バルブ装置1760とステータ構造体1740との間にある。ダイヤフラム装置は、ステータ構造体1740と共に電極チャンバ1750を形成する。ステータ構造体1740の通気口1720は、電極チャンバ1750を環境と接続する。 FIG. 17 shows a schematic side view of a micropump 1700 similar to micropump 200 of FIG. 2 with a vent 1720. The micropump includes a valve device 1760, a diaphragm device 1710, and a stator structure 1740. A major surface of valve device 1760 is attached to a major surface of diaphragm device 1710 to form pump chamber 1730. The major surface of the diaphragm device facing the pump chamber is attached to stator structure 1740. The stator structure includes a stepped variable height feature 1780 and a vent 1720. Diaphragm device 1710 is between valve device 1760 and stator structure 1740. The diaphragm device forms an electrode chamber 1750 with the stator structure 1740. A vent 1720 in stator structure 1740 connects electrode chamber 1750 with the environment.

通気口1720の利点は、電極チャンバ1750内の圧力が常に周囲圧力であること、すなわちダイヤフラムのゼロ位置が例えば大気圧の変動に依存しないことである。
通気口のさらなる利点は平坦なダイヤフラムである。仮にポンプチャンバの高さが0であれば、最大圧縮比が達成される。しかしながら特定のポンプチャンバ高さが必要であり、そうでなければ、ポンプチャンバ内の流れ抵抗が非常に高くなってしまう。
通気口の利点は、ダイヤフラムの圧力が常に平衡であり、大気圧がダイヤフラムのゼロ位置を変化させず、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しないという事実を含む。
しかしながら、通気口の使用は、製造、加工、ソーイング中、及び/又は動作による汚染のリスクにつながり得る。汚染は、粒子輸送又はベローズ粒子輸送の形態で、又は凝縮した水分の形態で現れ得る。図18は、通気口の欠点を回避するために適用される設計措置を示す。図18で適用される設計措置は、個別に適用してもよいし、組み合わせてもよい。
An advantage of the vent 1720 is that the pressure within the electrode chamber 1750 is always ambient pressure, ie the zero position of the diaphragm does not depend on, for example, variations in atmospheric pressure.
A further advantage of the vent is a flat diaphragm. If the height of the pump chamber is zero, the maximum compression ratio is achieved. However, a certain pump chamber height is required, otherwise the flow resistance within the pump chamber would be very high.
The advantage of the vent is that the pressure on the diaphragm is always in equilibrium, atmospheric pressure does not change the zero position of the diaphragm, high compression ratios can be achieved by the flat diaphragm, and there is no back pressure in the electrode chamber when the diaphragm moves. including the fact that it does not occur.
However, the use of vents may lead to a risk of contamination during manufacturing, processing, sawing, and/or operation. Contamination can appear in the form of particle transport or bellows particle transport, or in the form of condensed moisture. Figure 18 shows the design measures applied to avoid the drawbacks of vents. The design measures applied in FIG. 18 may be applied individually or in combination.

図18aは、毛細管停止部を有する通気口の概略上面図を示す。電極チャンバ1810は通気口1890を介して環境と接続され、通気口はバッファボリューム1860と組み合わせた毛細管停止部1820を備える。
図18b及び図18cの措置は、著しい空気流が通気口を流れることができず、ダイヤフラムが移動するストローク時間中に粒子を吸い込めないように、通気口1890の流れ抵抗を増加させている。ストローク時間は、ポンプ設計及び媒体の粘度に応じて1ms~100msの間であってもよい。
図18bは、断面が縮小された通気口の概略上面図を示す。主に通気口の断面1840を縮小することによって流れ抵抗を増加させている。
図18cは、蛇行部を有する通気口の概略上面図を示す。通気距離を増加させ、蛇行部1830を適用することによって流れ抵抗を増加させている。
図18dは、フィルタを有する通気口1890の概略上面図を示す。横方向フィルタ1850が通気口1890に設けられており、粒子に対する最も簡単な措置の1つとなり得る。
図18eは、行程容積よりもかなり大きいバッファボリューム1860を有し、例えば4つのバッファボリュームを有する通気口又は電極チャンバ1810の概略上面図を示す。この場合、環境との直接的な体積交換はなく、周囲空気がバッファボリューム1860に入るだけである。バッファボリュームは、対電極又は非移動電極構造体における深さのエッチングによって実現することができる。
Figure 18a shows a schematic top view of a vent with a capillary stop. The electrode chamber 1810 is connected to the environment via a vent 1890, which includes a capillary stop 1820 in combination with a buffer volume 1860.
The measures of Figures 18b and 18c increase the flow resistance of the vent 1890 so that no significant airflow can flow through the vent and draw in particles during the stroke time when the diaphragm moves. The stroke time may be between 1 ms and 100 ms depending on the pump design and the viscosity of the medium.
Figure 18b shows a schematic top view of the vent with reduced cross section. Flow resistance is increased primarily by reducing the cross section 1840 of the vent.
Figure 18c shows a schematic top view of a vent with a serpentine section. Flow resistance is increased by increasing the ventilation distance and applying serpentine sections 1830.
FIG. 18d shows a schematic top view of a vent 1890 with a filter. A lateral filter 1850 is provided at the vent 1890 and may be one of the simplest measures against particles.
FIG. 18e shows a schematic top view of a vent or electrode chamber 1810 having a buffer volume 1860 that is significantly larger than the stroke volume, for example having four buffer volumes. In this case, there is no direct volume exchange with the environment, only ambient air enters the buffer volume 1860. The buffer volume can be achieved by deep etching in the counter electrode or non-moving electrode structure.

図18で説明した構造を組み合わせることも可能である。これらの構造はまた、マイクロポンプの層に垂直に面する通気口をドライエッチングすることによって横方向に実現されてもよい。層に垂直な孔は箔で覆うことができるが、側孔はソーイング、ダイシングプロセスによって汚染される可能性がある。
例えば、1μmの直径を有する通気口は、間に広がる毛細管停止部を有し、おそらく汚染のリスクを大幅に低減する。同時に、例えば、直径1μmの狭い穴は、1μmを超える粒子が電極チャンバに入るのを防止する。平坦なダイヤフラム、高い圧縮比、及び大気圧補正の選択などの通気口の主な利点が得られる。
さらに、ポンピング周波数が十分に高い場合、高速移動中に電極チャンバ内に蓄積する過圧を使用して、マイクロポンプの背圧能力を高めることができる。
It is also possible to combine the structures described in FIG. These structures may also be realized laterally by dry etching vents facing perpendicularly to the micropump layer. Holes perpendicular to the layer can be covered with foil, but side holes can be contaminated by the sawing and dicing process.
For example, a vent with a diameter of 1 μm would have capillary stops extending between them, possibly significantly reducing the risk of contamination. At the same time, a narrow hole, for example 1 μm in diameter, prevents particles larger than 1 μm from entering the electrode chamber. The main advantages of vents are obtained, such as a flat diaphragm, high compression ratio, and the option of atmospheric pressure compensation.
Additionally, if the pumping frequency is high enough, the overpressure that builds up in the electrode chamber during high-speed travel can be used to increase the backpressure capability of the micropump.

図19は、図19aに示す非作動状態、及び図19bに示す作動状態における、事前撓みダイヤフラム1910を有する図2のマイクロポンプと同様のマイクロポンプの概略側面図を示す。
図19aにおいて、事前撓みダイヤフラム1910とステータ構造体1920との間の距離は、電極チャンバの中央領域において最小である。場合によっては、事前撓みダイヤフラム1910はステータ構造体1920に接触してもよい。ステータ構造体1920は通気口を備えていない。ダイヤフラム1910の撓みは、ウェハ接合中の負圧によってもたらされる。ダイヤフラム1910のプレート剛性と共にウェハ接合中の真空を使用して、ダイヤフラム1910の撓み率を規定の方法で調整することができる。電極チャンバの圧力と大気圧との間の圧力比の賢明な選択、並びにダイヤフラムの表面及び厚さの選択によって事前撓みが発生し得るが、接触はダイヤフラムを作動させることによってのみ確立されることに留意することが重要である。この場合、事前撓みダイヤフラムが非作動状態でステータ構造体に接触するマイクロポンプと比較すると、動作電圧はわずかに高くなるが、行程容積はわずかに大きい。
FIG. 19 shows a schematic side view of a micropump similar to that of FIG. 2 with a pre-deflected diaphragm 1910 in an inoperative state as shown in FIG. 19a and in an activated state as shown in FIG. 19b.
In FIG. 19a, the distance between pre-deflected diaphragm 1910 and stator structure 1920 is minimal in the central region of the electrode chamber. In some cases, pre-deflected diaphragm 1910 may contact stator structure 1920. Stator structure 1920 does not include vents. Deflection of diaphragm 1910 is caused by negative pressure during wafer bonding. The vacuum during wafer bonding, along with the plate stiffness of diaphragm 1910, can be used to adjust the rate of deflection of diaphragm 1910 in a defined manner. Although pre-deflection can be generated by judicious selection of the pressure ratio between the electrode chamber pressure and atmospheric pressure, as well as the selection of the surface and thickness of the diaphragm, contact can only be established by actuating the diaphragm. It is important to keep this in mind. In this case, the operating voltage is slightly higher but the stroke volume is slightly larger compared to a micropump in which the pre-deflected diaphragm contacts the stator structure in the inactive state.

これにより、通気口が必要とされないという利点がもたらされ、すなわち、研磨からのスラリーなどが出る加工中、毛細管力を介して浸入するソーダストなどが出るダイシング中、空気を吸い込んだり吸い出したりするためのベローズ粒子が出ない空気中での動作中、また、通気口に浸透する水滴などの特別な動作条件下においても、粒子汚染のリスクがないことを意味する。
ウェハ接合中に負圧によってダイヤフラム1910を事前に撓ませることのさらなる利点は、湾曲した曲げ線である。湾曲した曲げ線により、断面的に平坦なステータ構造体と共に形状的ウェッジ1940が形成され、移動ウェッジ効果が発生して駆動電圧が低下する。
This offers the advantage that vents are not required, i.e. to suck air in and out during processing where slurry etc. from polishing are present, during dicing where sawdust etc. enter through capillary forces. This means that there is no risk of particle contamination during operation in air with no bellows particles, and also under special operating conditions such as water droplets penetrating the vents.
A further advantage of pre-deflecting diaphragm 1910 with negative pressure during wafer bonding is a curved bend line. The curved bend line forms a geometric wedge 1940 with the cross-sectionally flat stator structure, creating a moving wedge effect and reducing the drive voltage.

図19bに示すように、マイクロポンプを作動させると、ダイヤフラム1910はステータ構造体1920に向かって引き付けられ、その結果、ダイヤフラム装置1910は中央領域でステータ構造体1920に接触し、ウェッジ1940は中央領域から周辺領域に向かって移動する。
事前撓みダイヤフラムの計画又は設計中に、真空又は低圧の使用によって事前に撓ませたダイヤフラムが非常に強く撓んでいるためにプレート理論のフック領域を離れて剛性が高くなることを考慮に入れなければならない。
接合プロセス中の真空又は圧力を使用して事前撓みを調整することができ、必要に応じて、ダイヤフラムのプレート剛性によって電極チャンバの形状を調整することができる。
As shown in FIG. 19b, when the micropump is actuated, the diaphragm 1910 is drawn towards the stator structure 1920, so that the diaphragm device 1910 contacts the stator structure 1920 in the central region and the wedge 1940 move towards the surrounding area.
While planning or designing a pre-deflected diaphragm, it must be taken into account that a diaphragm that has been pre-deflected by the use of vacuum or low pressure is deflected so strongly that it leaves the hook region of the plate theory and becomes more rigid. It won't happen.
Vacuum or pressure during the bonding process can be used to adjust the pre-deflection and, if desired, the shape of the electrode chamber can be adjusted by the plate stiffness of the diaphragm.

図20は、厚さが例えば40μm及び辺の長さが例えば5mmのシリコンダイヤフラムを有するZengerleらの既知の静電マイクロポンプ2000を示す。このマイクロポンプは、水などの非圧縮性流体において、0.3バールに相当する約30kPaの背圧に打ち勝つことができる。そのダイヤフラムが真空によって事前に負荷がかけられている場合、電極チャンバはかなり多くの空間を必要とする。
Zengerleポンプでは、ダイヤフラム層とステータ構造体との間の距離は例えば5μmである。Zengerleポンプの欠点は、例えばわずか40nlの低容量であり、例えば少なくとも200ボルトの高電圧が必要であり、かつ通気チャンバを使用することである。
移動ウェッジの利点は、ウェッジ領域の電界強度が高いために必要な電圧が低いことと、移動ウェッジを巻くことによってボリュームストロークが大きいこととを含む。欠点としては、事前撓みダイヤフラムがない場合と比較して行程容積が小さいことである。
ウェハ接合中の負圧の調整により、他の形態の構造が可能になる。事前撓みダイヤフラムのゼロ距離は、負圧及び電極チャンバの設計によって調整することができる。これにより、移動ウェッジポンプと通常のポンプとの混合形態を実現することができる。
FIG. 20 shows the known electrostatic micropump 2000 of Zengerle et al. with a silicon diaphragm having a thickness of, for example, 40 μm and a side length of, for example, 5 mm. This micropump can overcome back pressures of approximately 30 kPa, which corresponds to 0.3 bar, in incompressible fluids such as water. If its diaphragm is preloaded with a vacuum, the electrode chamber requires significantly more space.
In Zengerle pumps, the distance between the diaphragm layer and the stator structure is, for example, 5 μm. The disadvantages of the Zengerle pump are its low capacity, eg only 40 nl, the need for high voltages, eg at least 200 volts, and the use of a ventilation chamber.
Advantages of the moving wedge include lower voltage requirements due to the higher electric field strength in the wedge region and greater volume stroke by winding the moving wedge. The disadvantage is that the stroke volume is smaller than without the pre-deflected diaphragm.
Adjustment of negative pressure during wafer bonding allows other configurations of structures. The zero distance of the pre-deflected diaphragm can be adjusted by negative pressure and electrode chamber design. This makes it possible to realize a mixed configuration of a moving wedge pump and a normal pump.

既知のマイクロポンプ2000は、現在の出願とは製造及び機能が異なる。
まず、既知のマイクロポンプの、層3と絶縁層8のダイヤフラムの撓みは電極又はアクチュエータチャンバ10内で層2に向かって、かつポンプチャンバ90から離れて発生する。
さらなる違いは、既知のマイクロポンプの電気絶縁が絶縁層8及び電気的貫通保護スペーサ9によってもたらされることである。
さらなる違いは、ソーイング及び/又はダイシングが側壁絶縁を破壊するため、既知のマイクロポンプの側壁絶縁は実用的ではなく、ダイシング後に個々のピースを1つずつ加工することによってのみ可能であることである。
さらに、供給電圧を低下させるために電極構造体間の距離を調整することがない。また、スティクション防止バンプも既知のマイクロポンプにはない。
The known micropump 2000 differs in manufacture and function from the current application.
First, the diaphragm deflection of layer 3 and insulating layer 8 of the known micropump occurs within the electrode or actuator chamber 10 towards layer 2 and away from pump chamber 90 .
A further difference is that the electrical insulation of the known micropump is provided by an insulating layer 8 and an electrical feedthrough protective spacer 9.
A further difference is that sidewall insulation of known micropumps is impractical as sawing and/or dicing destroys the sidewall insulation and is only possible by processing the individual pieces one by one after dicing. .
Moreover, there is no adjustment of the distance between the electrode structures to reduce the supply voltage. Anti-stiction bumps are also absent from known micropumps.

実施の代替案
いくつかの態様を装置の文脈で説明したが、これらの態様は対応する方法の説明も表すことは明らかであり、ブロック又はデバイスは方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応する。同様に、方法ステップの文脈で説明される態様はまた、対応する装置の対応するブロック又は項目又は特徴の説明を表す。
Implementation Alternatives Although some aspects have been described in the context of an apparatus, it will be clear that these aspects also represent corresponding method descriptions, where the blocks or devices correspond to method steps or features of method steps. Similarly, aspects described in the context of method steps also represent a description of corresponding blocks or items or features of the corresponding apparatus.

バンプの設計に関して、以下の境界条件がある。バンプの高さはアクチュエータのストロークを減少させるため、この高さは可能な限り小さくすべきである。エッチング技術に関しては、10ナノメートル~200ナノメートルの高さが実現可能である。これらの領域で電荷緩和を回避するには、小さな間隙で十分である。
すべてのバンプの接触面積は、(固着を低減するために、)バンプなしの接触面積と比較してはるかに小さくなければならない。しかしながら、すべてのバンプの合計の接触面積が小さすぎると、全体の力がこの小さい面積に集中し、バンプの機械的安定性を超える可能性がある。バンプへの静電圧縮力によってバンプが損傷を受ける可能性がある。そのために、この接触領域は、加えられ得る最大機械的応力を大幅に下回るように選択されるべきである。単結晶シリコンの場合、この値は約4GPaであり、酸化シリコンではより小さい値となる。
Regarding bump design, there are the following boundary conditions. The height of the bump should be as small as possible since it reduces the stroke of the actuator. Regarding etching techniques, heights of 10 nanometers to 200 nanometers are achievable. Small gaps are sufficient to avoid charge relaxation in these regions.
The contact area of all bumps should be much smaller compared to the contact area without bumps (to reduce sticking). However, if the total contact area of all bumps is too small, the entire force will be concentrated on this small area and may exceed the mechanical stability of the bumps. Electrostatic compressive forces on the bumps can cause damage to the bumps. For this purpose, this contact area should be selected to be significantly below the maximum mechanical stress that can be applied. For single crystal silicon, this value is approximately 4 GPa, and for silicon oxide it is a smaller value.

マイクロポンプ100の静電駆動部を作動させることによって、ダイヤフラム装置180はポンプチャンバ110を圧縮しながらバルブ装置120に向かって引き付けられる。ポンプチャンバ110の圧縮により、ポンプチャンバ110内の圧力が上昇し、出口逆止弁170の弁フラップ140が開き、流体がポンプチャンバ110から出口逆止弁170を通って環境に流出できるようになる。
第1の電極構造体109と第2の電極構造体108との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置180は、ポンプチャンバ110を膨張させながら、その初期位置又はゼロ位置に向かって、又はその中に戻るように移動し得る。ポンプチャンバ110の膨張により、入口逆止弁160の弁フラップ140が開き、流体が環境から入口逆止弁160を通ってポンプチャンバ110に流入できるようになる。同時に、弁フラップ140によって出口トンネル150を通る流体の流れを遮断することによって、逆止弁170は出口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
By activating the electrostatic drive of the micropump 100, the diaphragm device 180 is drawn toward the valve device 120 while compressing the pump chamber 110. Compression of the pump chamber 110 increases the pressure within the pump chamber 110 and opens the valve flap 140 of the outlet check valve 170, allowing fluid to exit the pump chamber 110 through the outlet check valve 170 and into the environment. .
Reducing the voltage between the first electrode structure 109 and the second electrode structure 108 causes the diaphragm device 180 to move towards its initial or zero position, while expanding the pump chamber 110. You can move back inside. Expansion of pump chamber 110 causes valve flap 140 of inlet check valve 160 to open, allowing fluid to flow from the environment through inlet check valve 160 and into pump chamber 110 . At the same time, by blocking fluid flow through the outlet tunnel 150 with the valve flap 140, the check valve 170 may block fluid flow through the outlet tunnel.

図1の静電マイクロポンプ100は、従来技術のマイクロポンプと比較していくつかの利点を有する。ポンプチャンバ110の階段状可変高さ形状107は、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較して、低い供給電圧で動作し得る。この低い供給電圧は、依然として高電圧範囲内にあるとはいえ、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較すれば低いと考えられる。この低い供給電圧により、静電マイクロポンプ100のエネルギー使用量が低減し、小型で確立された高電圧回路の使用が可能となる。
さらなる利点として、静電マイクロポンプ100を動作させることはある程度の背圧を克服し得る。背圧は、ダイヤフラム装置180の動きを妨げる。供給電圧の増加により、背圧に打ち勝つ静電圧が増加する。
空気などの非導電性流体のための静電マイクロポンプ100は圧縮比が高く、図2のマイクロポンプ200などの導電性流体のための静電マイクロポンプよりも圧縮比が高くなり得るが、これはダイヤフラム装置180の撓みがポンプチャンバ110を向いており、追加のデッドボリューム106を減少させ得るためである。
The electrostatic micropump 100 of FIG. 1 has several advantages compared to prior art micropumps. The stepped variable height configuration 107 of the pump chamber 110 may operate with a low supply voltage compared to that of prior art micropumps. This low supply voltage, although still within the high voltage range, is considered low compared to the supply voltage of prior art micropumps. This lower supply voltage reduces the energy usage of electrostatic micropump 100 and allows the use of compact, well-established high voltage circuits.
As a further advantage, operating electrostatic micropump 100 may overcome some backpressure. The back pressure prevents movement of the diaphragm device 180. Increasing the supply voltage increases the static voltage that overcomes the back pressure.
Electrostatic micropumps 100 for non-conductive fluids such as air have a high compression ratio, which can be higher than electrostatic micropumps for conductive fluids such as micropump 200 of FIG. This is because the deflection of diaphragm device 180 points toward pump chamber 110 and may reduce additional dead volume 106.

図7は、図2の静電マイクロポンプ200などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、エッチングされた第2の層302の可変高さ形状560上で絶縁酸化物層610にスティクション防止バンプ708をエッチングすることによって得られ得るスティクション防止バンプ708を有する絶縁された第2の層302の概略側面図を示す。
図7は、スティクション防止バンプ708をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスク710の上面図をさらに示す。スティクション防止バンプ708をエッチングするのに使用されるエッチングマスク710は、ドットパターン730を有する円形形状720を備える。
スティクション防止バンプ708は、KOHを使用するドライエッチングプロセス又はウェットエッチングプロセスによって、非常に小さい目標深さ(例えば20nm~200nmの間。スティクション防止バンプ708の目標直径は、例えば20μm)でエッチングされてもよい。スティクション防止バンプ708は、図2のスティクション防止バンプ208と同様である。
FIG. 7 shows an insulating oxide layer 610 over the variable height feature 560 of the etched second layer 302, according to one embodiment for manufacturing an electrostatic micropump, such as the electrostatic micropump 200 of FIG. FIG. 3 shows a schematic side view of an insulated second layer 302 with anti-stiction bumps 708 that can be obtained by etching anti-stiction bumps 708. FIG.
FIG. 7 further shows a top view of an etch mask 710 configured to be used to etch anti-stiction bumps 708. The etch mask 710 used to etch the anti-stiction bump 708 comprises a circular shape 720 with a dot pattern 730.
The anti-stiction bumps 708 are etched by a dry or wet etching process using KOH to a very small target depth (e.g. between 20 nm and 200 nm; the target diameter of the anti-stiction bumps 708 is e.g. 20 μm). It's okay. Anti-stiction bump 708 is similar to anti-stiction bump 208 of FIG.

図10は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置920の主面から絶縁層610を除去することによって得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
酸化物層の除去は、HF-Dipなどの湿式化学プロセスによって行われてもよい。アクチュエータ装置920の主面の絶縁層を除去することにより、第1の層及び/又は第2の層301、302との電気的接触を形成することができる。
FIG. 10 shows a schematic side view of an actuator device that can be obtained by removing the insulating layer 610 from the main surface of the actuator device 920 , according to an embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. .
Removal of the oxide layer may be performed by a wet chemical process such as HF-Dip. By removing the insulating layer on the main surface of the actuator device 920, electrical contact can be made with the first layer and/or the second layer 301, 302.

図11は、図2のマイクロポンプ200などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置920の第1の層301を薄くしたときに得られ得るアクチュエータ装置920の概略側面図を示す。第1の層301からダイヤフラムを形成するために、すなわち、層301を撓み可能にし、かつ、撓んだときに破損しないように機械的に十分に安定させるために、第1の層301の厚さを減少させる。例えば、第1の層301は、例えば750μmから例えば30μmまで薄くしてもよい。
例えば、薄くするプロセスは、第1の層301を750μmから100μmまで研削し、次いで化学機械研磨(CMP)を適用して例えば50μmの厚さに到達させることによって行われてもよい。残りの例えば20μmは、ドライエッチングによってエッチング除去され得る。第1の層301は、厚さが図2のダイヤフラム装置230と同じ範囲にあるダイヤフラムとなる。
第1の層301から形成されたダイヤフラムが非導電性ダイヤフラムである場合、ダイヤフラム上への電極構造体の堆積が推奨される。
FIG. 11 shows a schematic side view of an actuator device 920 that can be obtained when the first layer 301 of the actuator device 920 is thinned, according to an embodiment for manufacturing a micropump, such as the micropump 200 of FIG. . The thickness of the first layer 301 is determined in order to form a diaphragm from the first layer 301, i.e. to make the layer 301 deflectable and mechanically stable enough to avoid breakage when deflected. decrease the For example, the first layer 301 may be as thin as, for example, 750 μm to, for example, 30 μm.
For example, the thinning process may be performed by grinding the first layer 301 from 750 μm to 100 μm and then applying chemical mechanical polishing (CMP) to reach a thickness of, for example, 50 μm. The remaining 20 μm, for example, can be etched away by dry etching. The first layer 301 is a diaphragm having a thickness in the same range as the diaphragm device 230 of FIG.
If the diaphragm formed from the first layer 301 is a non-conductive diaphragm, deposition of an electrode structure on the diaphragm is recommended.

既知のマイクロポンプ2000は、現在の出願とは製造及び機能が異なる。
まず、既知のマイクロポンプの、層3と絶縁層8のダイヤフラムの撓みは電極又はアクチュエータチャンバ10内で層2に向かって、かつポンプチャンバ19から離れて発生する。
さらなる違いは、既知のマイクロポンプの電気絶縁が絶縁層8及び電気的貫通保護スペーサ9によってもたらされることである。
さらなる違いは、ソーイング及び/又はダイシングが側壁絶縁を破壊するため、既知のマイクロポンプの側壁絶縁は実用的ではなく、ダイシング後に個々のピースを1つずつ加工することによってのみ可能であることである。
さらに、供給電圧を低下させるために電極構造体間の距離を調整することがない。また、スティクション防止バンプも既知のマイクロポンプにはない。
The known micropump 2000 differs in manufacture and function from the current application.
Firstly, a deflection of the diaphragm of the layer 3 and the insulating layer 8 of the known micropump occurs within the electrode or actuator chamber 10 towards the layer 2 and away from the pump chamber 19 .
A further difference is that the electrical insulation of the known micropump is provided by an insulating layer 8 and an electrical feedthrough protective spacer 9.
A further difference is that sidewall insulation of known micropumps is impractical as sawing and/or dicing destroys the sidewall insulation and is only possible by processing the individual pieces one by one after dicing. .
Moreover, there is no adjustment of the distance between the electrode structures to reduce the supply voltage. Anti-stiction bumps are also absent from known micropumps.

Claims (37)

静電マイクロポンプであって、
ダイヤフラムと第1の電極構造体とを備えるダイヤフラム装置と、
入口逆止弁と出口逆止弁とを備えるバルブ装置であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバを少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第1の電極構造体と共に静電駆動部を形成するように配置された第2の電極構造体であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第2の電極構造体と、
前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間に配置された少なくとも1つのスティクション防止バンプとを備え、
前記マイクロポンプの非作動状態において、前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中心領域に向かって変動し、前記周辺領域が前記中心領域を囲む、静電マイクロポンプ。
An electrostatic micropump,
a diaphragm device comprising a diaphragm and a first electrode structure;
A valve device comprising an inlet check valve and an outlet check valve,
a valve device, wherein the diaphragm device and the valve device at least partially surround a pump chamber;
a second electrode structure arranged to form an electrostatic drive section with the first electrode structure, the second electrode configured such that the electrostatic drive section deflects the diaphragm; structure and
at least one anti-stiction bump disposed between the first electrode structure and the second electrode structure;
in an inoperative state of the micropump, the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure varies from a peripheral region of the pump chamber toward a central region of the pump chamber; An electrostatic micropump, wherein the peripheral region surrounds the central region.
前記第1の電極構造体及び/又は前記第2の電極構造体が可変高さ形状を備え、前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の間隔を前記ポンプチャンバの前記周辺領域から前記中央領域に向かって増加させる、請求項1に記載の静電マイクロポンプ。 the first electrode structure and/or the second electrode structure having a variable height configuration, the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure being adjusted to The electrostatic micropump according to claim 1, wherein the electrostatic micropump increases from the peripheral region toward the central region. 前記少なくとも1つのスティクション防止バンプが、前記可変高さ形状に対向する前記第2の電極構造体に配置された、請求項1又は2のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 3. An electrostatic micropump according to any one of claims 1 or 2, wherein the at least one anti-stiction bump is arranged on the second electrode structure opposite the variable height feature. 前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の前記間隔が、前記ポンプチャンバの前記周辺領域から中央領域に向かって複数のステップで段階的に増加する、請求項1から3のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 From claim 1, wherein the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure increases stepwise in a plurality of steps from the peripheral region towards the central region of the pump chamber. 3. The electrostatic micropump according to any one of 3. 前記周辺領域において、前記第1の電極構造体及び前記第2の電極構造体に機械的接触を提供し、前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する絶縁層によって、前記第1の電極構造体及び前記第2の電極構造体が互いに絶縁される、請求項1から4のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 providing mechanical contact to the first electrode structure and the second electrode structure in the peripheral region; and providing electrical penetration between the first electrode structure and the second electrode structure. The electrostatic micropump according to any one of claims 1 to 4, wherein the first electrode structure and the second electrode structure are insulated from each other by an insulating layer that prevents the occurrence of. 前記静電駆動部が、前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の電圧に基づいて前記ポンプチャンバ内の圧力及び/又は前記ポンプチャンバの容積を変化させるように構成された、請求項1から5のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 The electrostatic drive unit is configured to change the pressure in the pump chamber and/or the volume of the pump chamber based on the voltage between the first electrode structure and the second electrode structure. The electrostatic micropump according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrostatic micropump is 前記バルブ装置が層装置であり、
前記入口逆止弁及び前記出口逆止弁が前記バルブ装置に対して面内に配置され、
前記入口逆止弁及び前記出口逆止弁の両方が、入口トンネルと、弁フラップと、出口トンネルと、デッドボリュームとを備え、前記入口トンネル、開状態の前記弁フラップ、及び前記出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成され、かつ、前記入口逆止弁を通る前記流体の流れの方向が前記出口逆止弁を通る前記流体の流れの方向と反対である、請求項1から6のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
the valve device is a layer device;
the inlet check valve and the outlet check valve are arranged in-plane with respect to the valve arrangement;
Both the inlet check valve and the outlet check valve include an inlet tunnel, a valve flap, an outlet tunnel, and a dead volume passing through the inlet tunnel, the valve flap in an open state, and the outlet tunnel. from claim 1, wherein the fluid flow direction through the inlet check valve is opposite to the direction of the fluid flow through the outlet check valve. 6. The electrostatic micropump according to any one of 6.
前記ダイヤフラム装置が、前記第1の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 8. An electrostatic micropump according to any preceding claim, wherein the diaphragm device comprises a conductive layer that is at least part of the first electrode structure. 前記バルブ装置が半導体層のスタックを備え、前記バルブ装置の主面に垂直な480μm~540μmの厚さを備え、
かつ/又は前記ダイヤフラム装置が、前記バルブ装置の主面に垂直な10μm~120μmの厚さの半導体層を備える、請求項1から8のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
the valve device comprises a stack of semiconductor layers and has a thickness of 480 μm to 540 μm perpendicular to a major surface of the valve device;
Electrostatic micropump according to any one of claims 1 to 8, wherein and/or the diaphragm device comprises a semiconductor layer with a thickness of 10 μm to 120 μm perpendicular to the main surface of the valve device.
前記バルブ装置が、前記第2の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 10. An electrostatic micropump according to any one of claims 1 to 9, wherein the valve device comprises a conductive layer that is at least part of the second electrode structure. 前記静電駆動部が、作動されると、前記ダイヤフラムを前記バルブ装置に向かって撓ませて前記ポンプチャンバを圧縮し、流体が前記ポンプチャンバから前記出口逆止弁を通って流れるように構成された、請求項10に記載の静電マイクロポンプ。 The electrostatic drive is configured to, when actuated, deflect the diaphragm toward the valve arrangement to compress the pump chamber and cause fluid to flow from the pump chamber through the outlet check valve. The electrostatic micropump according to claim 10. 前記ポンプチャンバから前記出口逆止弁を通って流れる流体が非導電性流体である、請求項11に記載の静電マイクロポンプ。 12. The electrostatic micropump of claim 11, wherein the fluid flowing from the pump chamber through the outlet check valve is a non-conductive fluid. 前記バルブ装置がシリコン層のスタックを備え、前記バルブ装置の主面に垂直な480μm~540μmの厚さを備え、
かつ/又は前記ダイヤフラム装置が、前記バルブ装置の主面に垂直な10μm~120μmの厚さのシリコン層を備える、請求項10から12のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
the valve device comprises a stack of silicon layers and has a thickness of 480 μm to 540 μm perpendicular to the main surface of the valve device;
Electrostatic micropump according to any one of claims 10 to 12, wherein and/or the diaphragm device comprises a silicon layer with a thickness of 10 μm to 120 μm perpendicular to the main surface of the valve device.
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ構造体と前記ステータ構造体との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が電極チャンバを囲むようになっており、前記ステータ構造体が前記第2の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 a stator structure, the diaphragm device being disposed between the valve structure and the stator structure, the stator structure and the diaphragm device surrounding an electrode chamber; 10. An electrostatic micropump according to any preceding claim, comprising a stator structure comprising a conductive layer which is at least part of the second electrode structure. 前記静電駆動部が、作動されると、前記ダイヤフラム装置を前記ステータ構造体に向かって撓ませて前記ポンプチャンバを膨張させ、流体が前記入口逆止弁を通って前記ポンプチャンバ内に流れるように構成された、請求項14に記載の静電マイクロポンプ。 The electrostatic drive, when actuated, deflects the diaphragm device toward the stator structure to expand the pump chamber so that fluid flows through the inlet check valve and into the pump chamber. The electrostatic micropump according to claim 14, configured to. 前記入口逆止弁を通って前記ポンプチャンバ内に流れる流体が導電性又は非導電性流体である、請求項15に記載の静電マイクロポンプ。 16. The electrostatic micropump of claim 15, wherein the fluid flowing into the pump chamber through the inlet check valve is an electrically conductive or non-conductive fluid. 前記ステータ構造体がシリコン層を備え、前記バルブ装置の主面に垂直な450μmの厚さを備える、請求項14から16のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 17. Electrostatic micropump according to any one of claims 14 to 16, wherein the stator structure comprises a silicon layer and has a thickness of 450 μm perpendicular to the main surface of the valve arrangement. 前記ステータ構造体が、前記ダイヤフラム装置と比較してより高い剛性を有する、請求項14から17のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 18. An electrostatic micropump according to any one of claims 14 to 17, wherein the stator structure has a higher stiffness compared to the diaphragm device. 前記静電マイクロポンプが、前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するように構成された通気口を備える、請求項14から18のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 19. An electrostatic micropump according to any one of claims 14 to 18, wherein the electrostatic micropump comprises a vent configured to connect the electrode chamber with the environment of the electrostatic micropump. 前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するように構成された、請求項19に記載の静電マイクロポンプ。 20. The electrostatic micropump of claim 19, wherein the vent is configured to prevent contamination of the electrode chamber. 前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するように構成されたフィルタ及び/又はバッファボリュームを備える、請求項19又は20に記載の静電マイクロポンプ。 21. Electrostatic micropump according to claim 19 or 20, wherein the vent comprises a filter and/or buffer volume configured to prevent contamination of the electrode chamber. 前記ダイヤフラム装置の前記ダイヤフラムが事前に撓んでいる、請求項14から21のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 22. Electrostatic micropump according to any one of claims 14 to 21, wherein the diaphragm of the diaphragm device is pre-deflected. 前記ダイヤフラム装置が、前記静電駆動部の非作動状態で前記ステータ構造体との機械的接触を接触領域内で形成するように事前に撓んでおり、前記静電駆動部が作動状態で前記接触領域を増加させるように適合された、請求項22に記載の静電マイクロポンプ。 The diaphragm device is pre-deflected to form mechanical contact with the stator structure in a contact area in the non-actuated state of the electrostatic drive, and the diaphragm device is pre-deflected to form mechanical contact with the stator structure in the contact area in the non-actuated state of the electrostatic drive; 23. An electrostatic micropump according to claim 22, adapted to increase area. 前記第1の電極構造体の前記導電層及び前記第2の電極構造体の前記導電層が、導電性材料、又は金属材料の導電性を有する高濃度にドープされた半導体材料で作られた、請求項1から23のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。 the conductive layer of the first electrode structure and the conductive layer of the second electrode structure are made of a conductive material or a highly doped semiconductor material having the conductivity of a metallic material; An electrostatic micropump according to any one of claims 1 to 23. 静電マイクロポンプを製造するプロセスであって、
ダイヤフラムと第1の電極構造体とを備えるようにダイヤフラム装置を配置するステップと、
入口逆止弁と出口逆止弁とを備えるようにバルブ装置を配置するステップであって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバを少なくとも部分的に囲むようにするステップと、
前記第1の電極構造体と共に前記ダイヤフラムを撓ませる静電駆動部を形成するように第2の電極構造体を配置するステップと、
前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間に少なくとも1つのスティクション防止バンプを配置するステップとを含み、
前記マイクロポンプの非作動状態において、前記第1の電極構造体と前記第2の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中心領域に向かって変動し、前記周辺領域が前記中心領域を囲むようにする、静電マイクロポンプを製造するプロセス。
A process for manufacturing an electrostatic micropump, the process comprising:
arranging a diaphragm device to include a diaphragm and a first electrode structure;
arranging a valve arrangement to include an inlet check valve and an outlet check valve, the step comprising:
the diaphragm device and the valve device at least partially surrounding a pump chamber;
arranging a second electrode structure so as to form an electrostatic drive with the first electrode structure to deflect the diaphragm;
disposing at least one anti-stiction bump between the first electrode structure and the second electrode structure;
in an inoperative state of the micropump, the spacing between the first electrode structure and the second electrode structure varies from a peripheral region of the pump chamber toward a central region of the pump chamber; A process for manufacturing an electrostatic micropump, wherein the peripheral region surrounds the central region.
前記ダイヤフラム装置を配置することが、
第1の層であって、前記第1の層の第1の主面上に可変高さ形状と絶縁溝とを有する前記第1の層を配置するステップと、
前記ダイヤフラム装置を配置するために、前記第1の層の第1の主面上に絶縁層を形成するステップとを含む、請求項25に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
arranging the diaphragm device,
disposing the first layer, the first layer having a variable height shape and an insulating groove on a first major surface of the first layer;
forming an insulating layer on a first major surface of the first layer to position the diaphragm device.
前記ダイヤフラム装置を配置することが、
第2の層を設けるステップと、
前記第1の層の前記第1の主面を前記第2の層の第1の主面に取り付けて、前記第1の層の前記可変高さ形状と前記第2の層の前記第1の主面との間に電極チャンバを形成するステップと、
前記ダイヤフラム装置を配置するために、少なくとも前記電極チャンバの反対側の領域において、前記第1の主面に平行な前記第2の層の前記第2の主面を薄くするステップとをさらに含む、請求項26に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
arranging the diaphragm device,
providing a second layer;
The first major surface of the first layer is attached to the first major surface of the second layer so that the variable height shape of the first layer and the first major surface of the second layer forming an electrode chamber between the main surface;
thinning the second major surface of the second layer parallel to the first major surface in order to position the diaphragm device, at least in a region opposite the electrode chamber; 27. A process for manufacturing an electrostatic micropump according to claim 26.
前記第1の層の第1の主面上に可変高さ形状を生成する前記ステップが、前記第1の層に少なくとも1つの通気口を配置するステップであって、前記通気口が前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するようにするさらなるステップを含む、請求項27に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。 The step of creating a variable height feature on a first major surface of the first layer includes arranging at least one vent in the first layer, the vent opening extending into the electrode chamber. 28. A process for manufacturing an electrostatic micropump according to claim 27, comprising the further step of bringing the electrostatic micropump into contact with the environment of the electrostatic micropump. 前記第1の層に少なくとも1つの通気口を配置する前記ステップが、前記通気口に少なくとも1つのフィルタ及び/又はバッファボリュームを配置するさらなるステップを含む、請求項28に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。 29. The electrostatic micropump of claim 28, wherein the step of locating at least one vent in the first layer comprises the further step of locating at least one filter and/or buffer volume in the vent. The process of manufacturing. 前記バルブ装置を配置することが、
第1の基板を、前記第1の基板の第1の主面上の第1の溝構造と共に形成するステップと、
第2の基板を、前記第2の基板の第1の主面上の第2の溝構造と共に形成するステップと、
前記第1の基板の溝構造を有する前記第1の主面を前記第2の基板の溝構造を有する前記第1の主面に取り付けることによって基板のスタックを提供するステップであって、
第1及び/又は第2の溝構造が基板の前記スタック内に少なくとも1つのキャビティを形成するようにするステップと、
基板の前記スタックの前記第1の主面及び/又は前記第2の主面を薄くするステップと、
前記少なくとも1つのキャビティにおいて、前記第1の主面に平行な第1の主面及び第2の主面から基板の前記スタックを窪ませて、入口トンネル及び出口トンネル並びにその間の弁フラップを形成し、前記入口トンネル、開状態の前記弁フラップ、及び前記出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成し、
前記バルブ装置を生成するために、前記入口逆止弁を通る流体の流れの方向が、前記出口逆止弁を通る流体の流れの方向と反対であるステップとによって入口逆止弁及び出口逆止弁を製造することを含む、請求項25から29のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
arranging the valve device,
forming a first substrate with a first groove structure on a first major surface of the first substrate;
forming a second substrate with a second groove structure on a first major surface of the second substrate;
providing a stack of substrates by attaching the first major surface having a groove structure of the first substrate to the first major surface having a groove structure of the second substrate;
a first and/or a second groove structure forming at least one cavity within the stack of substrates;
thinning the first major surface and/or the second major surface of the stack of substrates;
recessing the stack of substrates in the at least one cavity from a first major surface and a second major surface parallel to the first major surface to form an inlet tunnel and an outlet tunnel and a valve flap therebetween; , configured to direct fluid flow through the inlet tunnel, the valve flap in an open state, and the outlet tunnel;
to produce the valve device, the direction of fluid flow through the inlet check valve is opposite to the direction of fluid flow through the outlet check valve; 30. A process for manufacturing an electrostatic micropump according to any one of claims 25 to 29, comprising manufacturing a valve.
第2の電極構造体を配置することが、電極材料又は絶縁体材料を堆積させるためのウェハ接合プロセスの実行又は堆積プロセスの実行を含む、請求項25から30のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。 31. A stationary station according to any one of claims 25 to 30, wherein arranging the second electrode structure comprises performing a wafer bonding process or performing a deposition process to deposit an electrode material or an insulator material. The process of manufacturing electric micropumps. 少なくとも1つのスティクション防止バンプを配置することが、
前記第1の主面に平行な前記第1の層の第2の主面上、及び/又は
前記第1の主面に平行な前記第2の層の第1の主面及び/若しくは第2の主面上、及び/又は
前記ダイヤフラム装置に対向する前記バルブ装置の主面上において、
前記ポンプチャンバの領域に前記少なくとも1つのスティクション防止バンプを形成することを含む、請求項25から31のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
disposing at least one anti-stiction bump;
on the second main surface of the first layer parallel to the first main surface, and/or on the first main surface and/or the second main surface of the second layer parallel to the first main surface and/or on the main surface of the valve device facing the diaphragm device,
32. A process for manufacturing an electrostatic micropump according to any one of claims 25 to 31, comprising forming the at least one anti-stiction bump in the region of the pump chamber.
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバを形成するように前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップと、
前記絶縁溝で前記第1の層をダイシングするステップと、
前記ダイヤフラム装置の前記第1の層の前記第2の主面上、及び
前記ダイヤフラム装置の前記第2の層の前記第1の主面上、又は
前記バルブ装置の前記表面上に
導電層を堆積させるステップと、
マイクロポンプを製造するために前記第2の層をダイシングするステップとを含む、請求項25から32に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
attaching the diaphragm device to the valve device such that the diaphragm device and the valve device form a pump chamber;
dicing the first layer in the insulating groove;
depositing a conductive layer on the second major surface of the first layer of the diaphragm device, and on the first major surface of the second layer of the diaphragm device, or on the surface of the valve device; the step of
and dicing the second layer to produce a micropump.
前記第1の層の前記第2の主面上に導電層を堆積する前に、前記ダイヤフラム装置の前記第1の層の前記第2の主面を薄くするステップを含む、請求項33に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。 34. Thinning the second major surface of the first layer of the diaphragm device prior to depositing a conductive layer on the second major surface of the first layer. The process of manufacturing electrostatic micropumps. 前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付ける前記ステップが、
前記第2の層によって配置された前記ダイヤフラム装置を事前に撓ませるステップと、
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップとを含む、請求項27から34に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
the step of attaching the diaphragm device to the valve device;
pre-deflecting the diaphragm device disposed by the second layer;
35. A process for manufacturing a micropump according to claims 27 to 34, comprising the step of attaching the diaphragm device to the valve device.
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付ける前記ステップが、
前記静電駆動部の非作動状態において、前記第1の層の機械的接触を接触領域内で形成するように、前記第2の層によって配置された前記ダイヤフラム装置を事前に撓ませるステップであって、前記静電駆動部が、作動状態において前記接触面積を増加させるように適合されたステップと、
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップとを含む、請求項27から35に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
the step of attaching the diaphragm device to the valve device;
pre-deflecting the diaphragm device arranged by the second layer so as to form a mechanical contact of the first layer in the contact area in the non-actuated state of the electrostatic drive; the electrostatic drive is adapted to increase the contact area in an actuated state;
36. A process for manufacturing a micropump according to claims 27 to 35, comprising the step of attaching the diaphragm device to the valve device.
前記第1の電極構造体の前記導電層及び前記第2の電極構造体の前記導電層が、導電性材料、又は金属材料の導電性を有する高濃度にドープされた半導体材料で作られた、請求項25から36に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。 the conductive layer of the first electrode structure and the conductive layer of the second electrode structure are made of a conductive material or a highly doped semiconductor material having the conductivity of a metallic material; A process for manufacturing a micropump according to claims 25-36.
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